Химия жизни

Структурная и функциональная организация живого организма немыслима без постоянно протекающих в ней многочисленных химических реакций, в которых участвуют десятки элементов и сотни простых и сложных соединений.

По химическому составу живые организмы могут значительно отличаться друг от друга, но элементы, входящие в их состав, одинаковы. Хотя в составе живых организмов обнаружено около 70 элементов, но лишь 27 из них имеют вполне установленное значение и встречаются в живых организмах постоянно. Из 31 химического элемента, в наибольшем количестве содержащимся в живых организмов только 5 имеют порядковый номер более 34. Более того, соотношение этих элементов в живых организмах совсем иное, чем в земной коре. Интересно отметить, что 8 из 9 элементов, содержащихся в живом организме в наибольших количествах, входят в число десяти элементов, которые в наибольших количествах присутствуют также и в морской воде, что косвенно подтверждает морское происхождение жизни.

В живых организмах в наибольшем количестве встречаются водород, азот, углерод, кислород, на долю которых приходится более 98% общей массы, тогда как в земной коре их доля значительно меньше.

Химические свойства живых организмов в значительной степени зависят от углерода, на долю которого приходится более половины их сухого вещества. Углерод способен образовывать ковалентные связи с большим количеством элементов, но наиболее важное в биологии значение имеет способность углерода к химическим связям друг с другом,

что позволяет формироваться множеству разнообразных структур: линейным и разветвленным цепям, циклическим и сетчатым структурам, а также их комбинации.

Все эти структуры лежат в основе скелетов многочисленных органических молекул. Четыре ковалентные одинарные связи углерода располагаются в пространстве в виде тетраэдра, что позволяет образовывать разнообразные трехмерные структуры, на что не способен ни один другой элемент. Трехмерная структура органических молекул играет исключительно важную роль во многих биохимических процессах, а свойство атомов водорода в углеводородной цепи быть замещенным различными функциональными группами, придает большинству биомолекул полифункциональные свойства.

Наибольшую часть (70-97%) массы живых организмов составляет вода. Лишь несколько процентов сухого вещества живого организма приходится на долю неорганических солей и других минеральных веществ, а все остальное приходится на органические соединения, представленные в основном четырьмя видами молекул: белками, нуклеиновыми кислотами, углеводами и жирами.

Если мы рассмотрим химический состав этих молекул, то увидим, что строение этих сложных структур основано на весьма простых принципах. В качестве строительных блоков, из которых они состоят, используются простые молекулы, число которых невелико, и они имеют одно и то же строение у всех видов организмов.

Молекулы всех белков, представляющие собой длинные цепочки, построены всего лишь из 20 разных аминокислот, расположенных в той или иной последовательности. Аналогичным образом длинные, напоминающие цепи, молекулы нуклеиновых кислот у всех организмов построены из небольшого числа нуклеотидов. Белки и нуклеиновые кислоты являются информационными макромолекулами: каждый белок и каждая нуклеиновая кислота несут определенную информацию, закодированную в последовательности строительных блоков. Полисахариды также состоят из большого количества строительных блоков одного-двух типов.

Таким образом, более 90% сухого органического вещества в живых организмах составляют тысячи разнообразных

молекул, построенных всего лишь из трех-четырех десятков различных видов простых органических молекул.

Белок (протеин, полипептид) — высокомолекулярное органическое вещество, состоящее из соединённых в линейную цепочку пептидной связью 20 альфа(L)-аминокислот.

Все они содержат карбоксильную группу и аминогруппу, которые связаны с одним и тем же атомом углерода. Аминокислоты отличаются друг от друга строением только одной части молекулы, а именно боковой группы, которая у разных аминокислот неодинакова по структуре, электрическому заряду и растворимости в воде. Все аминокислоты, кроме одной, имеют асимметричный атом углерода, в результате чего у всех их имеются стереоизомеры. Все аминокислоты, входящие в состав белка, являются L-стереоизомерами.

По степени полярности боковой группы все аминокислоты можно расположить в виде непрерывного ряда, начиная с полностью неполярных, или гидрофобных и кончая сильно полярными, или гидрофильными. Являясь бифункциональными соединениями, аминокислоты в водном растворе могут вести себя и как кислоты и как основания, благодаря чему они могут играть роль буферных соединений.

Растения все необходимые аминокислоты синтезируют самостоятельно. Большинство животных, в том числе и человек, потеряли способность синтезировать некоторые аминокислоты, они должны поступать с пищей. Такие аминокислоты называются незаменимыми, их 10.

Наиболее важное для живого свойство аминокислот – способность их молекул соединяться между собой прочными пептидными связями, которые возникают вследствие взаимодействия аминогруппы одной аминокислоты с карбоксильной группой другой с выделением молекулы воды. Так образуется пептид.

Аминокислотный остаток, находящейся на том конце пептида, где имеется свободная аминогруппа, называется N-концевым остатком, противоположный конец – С-концевой остаток. Дальнейшее присоединение аминокислот с помощью пептидной связи приводит к образованию полипептидной цепочки – первичной структуры белка.

Молекула белка является полипептидом, в состав которого входит от 100 до нескольких тысяч аминокислот. Все молекулы данного индивидуального белка идентичны по аминокислотному составу, последовательности аминокислотных остатков и длине полипептидной цепи.

Характеристика белков не исчерпывается их первичной структурой, поскольку они обладают еще и более высокими уровнями структурной организации. Всякая полипептидная цепь закручивается в спираль из-за образования водородных связей межу CO- и NH-группами каждого пятого остатка аминокислоты, образуя вторичную структуру.

Благодаря наличию функциональных групп в составе полипептидной цепи, эта спираль может свертываться в пространстве определенным образом, вследствие чего возникает характерная для данного типа белка укладка полипептидной цепи – третичная структура.

Белки в своем составе могут иметь несколько полипептидных цепей, образуя четвертичную структуру. Вторичная, третичная и четвертичная структуры при нагревании белка разрушаются, – происходит процесс денатурации белка, разрушения нативной структуры.

Все белки, в соответствии с их биологическими функциями можно разделить на несколько классов.

Многие белки образуют волокна, навитые друг на друга или уложенные плоским слоем, – они выполняют опорную или защитную функцию, скрепляя биологические структуры и придавая им прочность. Такие белки называются структурными. Главным компонентом хрящей и сухожилий является коллаген, связки содержат эластин, волоса и ногти состоят почти исключительно из кератина.

Есть белки сократительные и двигательные. К ним относятся актин и миозин мышечной ткани, тубулин ресничек и жгутиков.

Белки бываюттранспортные (гемоглобин крови), защитные (иммуноглобулины, фибриноген и тромбин, змеиные яды), регуляторные (некоторые гормоны).

Белки бывают пищевые и запасные. В семенах многих растений запасены пищевые белки, потребляемые на первых стадиях развития зародыша. Пищевые белки – яичный альбумин и казеин. В животных тканях есть ферритин, в котором запасено железо.

Самый многочисленный и наиболее высокоспециализированный класс белков составляют ферменты, или энзимы – белки, обладающие каталитической активностью.

Благодаря ферментам биохимические реакции протекают с огромной скоростью. Скорость ферментативных реакций в десятки тысяч раз (а иногда и в миллионы) выше скорости реакций, идущих с участием неорганических катализаторов. Вещество, на которое оказывает свое действие фермент, называют субстратом.

Активность ферментов определяется их трёхмерной структурой.

Как и все белки, ферменты синтезируются в виде линейной цепочки аминокислот, которая сворачивается определённым образом. Каждая последовательность аминокислот сворачивается особым образом, и получающаяся молекула (белковая глобула) обладает уникальными свойствами.

Чтобы катализировать реакцию, фермент должен связаться с одним или несколькими субстратами. Белковая цепь фермента сворачивается таким образом, что на поверхности глобулы образуется щель, или впадина, где связываются субстраты. Эта область называется сайтом связывания субстрата. Обычно он совпадает с активным центром фермента или находится вблизи него. Такие ферменты, состоящие только из аминокислот, называются простыми ферментами. В то же время некоторые белковые цепи ферментов формируют сайт связывания субстрата лишь после взаимодействия с компонентом небелковой природы (кофактор). Такие ферменты называются сложными. Кофакторы могут быть как неорганическими молекулами (ионы металлов, железо-серные кластеры и др.), так и органическими (например, флавин или гем).

Ферменты, осуществляющие в клетке различные метаболические процессы, например, превращение глюкозы в молочную кислоту в скелетных мышцах, организованы в виде последовательных цепей или систем, в которых они действуют согласованно. В таких реакциях продукт одной является субстратом другой. Такие мультиферментные системы могут включать 15 и более ферментов, действующих в определенной последовательности. В каждой такой системе есть фермент, который определяет скорость реакции всей ферментативной цепочки. Такой фермент способен не только выполнять определенную ферментативную функцию, но и обладает способностью повышать или понижать свою каталитическую активность в ответ на определенные сигналы. У таких ферментов есть сайты связывания малых молекул, они могут быть субстратами или продуктами метаболического пути, в который входит фермент. Наличие или отсутствие малой молекулы в таком сайте приводит к частичному изменению структуры сайта связывания субстрата, что и сказывается на активности фермента. Благодаря действию таких ферментов (аллостерические ферменты), организм способен почти мгновенно приспосабливаться к изменяющимся условиям.

Ферменты обычно проявляют высокую специфичность по отношению к своим субстратам. Это достигается частичной комплементарностью формы, распределения зарядов и гидрофобных областей на молекуле субстрата и в центре связывания субстрата на ферменте. Ферменты демонстрируют высокий уровень стереоспецифичности и селективности.

Для реакций ферментативного катализа характерны: 1) высокая эффективность, 2) строгая избирательность и направленность действия, 3) субстратная специфичность, 4) тонкая и точная регуляция.

Субстратную и реакционную специфичность реакций ферментативного катализа объясняют гипотезы Э. Фишера (1890 г.) и Д. Кошланда (1959 г.).

Э. Фишер (гипотеза «ключ-замок») предположил, что пространственные конфигурации активного центра фермента и субстрата должны точно соответствовать друг другу. Субстрат сравнивается с «ключом», фермент — с «замком».

Д. Кошланд (гипотеза «рука-перчатка») предположил, что пространственное соответствие структуры субстрата и активного центра фермента создается лишь в момент их взаимодействия друг с другом. Эту гипотезу еще называют гипотезой индуцированного соответствия.

Скорость ферментативных реакций зависит от: 1) температуры, 2) концентрации фермента, 3) концентрации субстрата, 4) рН. Следует подчеркнуть, что поскольку ферменты являются белками, то их активность наиболее высока при физиологически нормальных условиях.

Большинство ферментов может работать только при температуре от 0 до 40 °С. В этих пределах скорость реакции повышается примерно в 2 раза при повышении температуры на каждые 10 °С. При температуре выше 40 °С белок подвергается денатурации и активность фермента падает. При температуре, близкой к точке замерзания, ферменты инактивируются.

При увеличении количества субстрата скорость ферментативной реакции растет до тех пор, пока количество молекул субстрата не станет равным количеству молекул фермента. При дальнейшем увеличении количества субстрата скорость увеличиваться не будет, так как происходит насыщение активных центров фермента. Увеличение концентрации фермента приводит к усилению каталитической активности, так как в единицу времени преобразованиям подвергается большее количество молекул субстрата.

Для каждого фермента существует оптимальное значение рН, при котором он проявляет максимальную активность (пепсин — 2, 0, амилаза слюны — 6, 8, липаза поджелудочной железы — 9, 0). При более высоких или низких значениях рН активность фермента снижается. При резких сдвигах рН фермент денатурирует.

Скорость работы аллостерических ферментов регулируется веществами, присоединяющимися к аллостерическим центрам. Если эти вещества ускоряют реакцию, они называются активаторами, если тормозят — ингибиторами.

В настоящее время известно несколько десятков тысяч ферментов. Чтобы можно было в них разбираться, принята специальная классификация с систематической номенклатурой. Классификация была предложена Международным союзом биохимии и молекулярной биологии.

По типу катализируемых химических превращений ферменты разделены на 6 классов:

оксиредуктазы (перенос атомов водорода, кислорода или электронов от одного вещества к другому — дегидрогеназа),

трансферазы (перенос метильной, ацильной, фосфатной или аминогруппы от одного вещества к другому — трансаминаза),

гидролазы (реакции гидролиза, при которых из субстрата образуются два продукта — амилаза, липаза),

лиазы (негидролитическое присоединение к субстрату или отщепление от него группы атомов, при этом могут разрываться связи С–С, С–N, С–О, С–S — декарбоксилаза),

изомеразы (внутримолекулярная перестройка — изомераза),

лигазы (соединение двух молекул в результате образования связей С–С, С–N, С–О, С–S — синтетаза).

Классы в свою очередь подразделены на подклассы и подподклассы. В действующей международной классификации каждый фермент имеет определенный шифр, состоящий из четырех чисел, разделенных точками. Первое число — класс, второе — подкласс, третье — подподкласс, четвертое — порядковый номер фермента в данном подподклассе, например, шифр аргиназы — 3.5.3.1.

Другая группа органических соединений живого организма – углеводы, или сахариды. Углеводы являются полигидроксиальдегидами или полигидроксикетонами либо образуют эти вещества в результате гидролиза. Все углеводы делятся на простые (моносахариды) и сложные (полисахариды).

Среди моносахаридов по числу углеродных атомов различают триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и гептозы.

Моносахариды с пятью и более атомами углерода, растворяясь в воде, могут приобретать кольцевую форму. В природе наиболее часто встречаются пентозы и гексозы. Пентозы входят в состав нуклеиновых кислот, гексозы (глюкоза) служат универсальным источником энергии.

Дисахариды состоят из двух моносахаридов, связанных друг с другом ковалентной связью. Мальтоза содержит два остатка глюкозы, связанных друг с другом α (1→ 4)-гликозидной связью. Лактоза образована из глюкозы и галактозы. Сахароза состоит из остатков глюкозы и фруктозы, соединенных друг с другом через аномерные атомы углерода.

Основная роль углеводов связана с их энергетической функцией. СЛАЙД Полисахариды играют главным образом роль запасных продуктов и легко мобилизируемых источников энергии (крахмал, гликоген), а также используются в качестве строительного материала (целлюлоза, хитин). Полисахариды по ряду причин весьма удобны в качестве запасных питательных веществ: будучи нерастворимы в воде, они не оказывают ни осмотического, ни химического влияния, занимают небольшой объем при большом количестве запасенной энергии и могут быть легко превращены в простые сахара путем гидролиза.

Наиболее важными резервными полисахаридами являются крахмал у растений и гликоген у животных.

Целлюлоза является линейным, неразветвленным гомополисахаридом, состоящим из 10000 и более остатков глюкозы. Полимерные цепи целлюлозы сильно вытянуты и соединяются друг с другом бок о бок, образуя длинные нерастворимые фибриллы.

У животных нет ферментов, гидролизующих целлюлозу, поэтому она не может служить пищей для большинства высших животных.

Перед тем как перейти к изучению метаболических процессов, следует рассмотреть еще одну группу биомолекул – липидов. По химическому составу липиды – это сложные эфиры жирных кислот и какого-либо спирта. Жирные кислоты– это небольшие молекулы с длинной цепью, состоящей из атомов углерода (чаще всего 16 или 18) и водорода, и с карбоксильной группой (-СООН). Их углеводородные хвосты гидрофобны, а карбоксильная группа крайне гидрофильна и легко образует эфиры. Иногда в жирных кислотах имеются одна или несколько двойных связей (С = С). В этом случае жирные кислоты, а также содержащие их липиды называются ненасыщенными. Жирные кислоты и липиды, в молекулах которых нет двойных связей, называются насыщенными. Последние образуются путем присоединения дополнительной пары атомов водорода по двойной связи ненасыщенной кислоты.

Ненасыщенные жирные кислоты плавятся при значительно более низких температурах, чем насыщенные. Например, олеиновая кислота (Т_пл = 13, 4°С) при комнатной температуре бывает жидкой, тогда как пальмитиновая (Т_пл = 63, 1°С) в этих условиях остается твердой.

Большинство липидов являются сложными эфирами трехатомного спирта глицерина и трех остатков жирных кислот, такие соединения называются триглицеридами. Среди соединений этой группы различают жиры и масла в зависимости от того, остаются ли они твердыми при комнатной температуре (жиры) или находятся в жидком состоянии (масла). В маслах, как правило, присутствует больше ненасыщенных жирных кислот, чем в жирах.

К группе липидов относятся также стероиды, терпены, воска, фосфогликолипиды.

Липиды играют важную роль как источники энергии. При окислении они дают более чем в два раза больше энергии, чем углеводы и белки, и, таким образом, более экономичны как форма хранения запасных веществ. Благодаря низкой теплопроводности липиды выполняют защитные функции, т.е. служат для теплоизоляции организмов. Так как при окислении жиров образуется примерно такое же количество воды, то жиры некоторыми животными (например, верблюдом) используются как источники воды.

Однако главная функция, которую выполняют липиды в организме, это участие в образовании клеточных мембран.

И, наконец, последний по счету, но далеко не самый последний по значимости класс органических веществ живого, который мы рассмотрим достаточно подробно, - это нуклеиновые кислоты.

Нуклеиновые кислоты (НК) – фосфорсодержащие линейные биополимеры живых организмов, обеспечивающие хранение и передачу наследственной информации. Впервые соединения этого плана были найдены в ядрах лейкоцитов, откуда они получили свое название. В природе существует два вида нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). СЛАЙД В состав нуклеиновых кислот входят пуриновое и пиримидиновое основания, пентозный сахар (рибоза или дезоксирибоза) и остаток фосфорной кислоты.

Одно основание, один пентозный сахар и один остаток фосфорной кислоты образуют нуклеотид, который является структурным компонентом (мономером) каждой молекулы НК.

Молекула РНК отличается от ДНК существенно меньшими размерами, она одноцепотчатая, в отличие от двухцепотчатой ДНК, содержит сахар рибозу вместо дезоксирибозы, а вместо основания тимина включает основание урацил.

Каждая молекула ДНК или РНК образована всего лишь четырьмя типами нуклеотидов. Последовательно расположенные нуклеотиды в молекулах НК ковалентно связаны друг с другом при помощи фосфатных мостиков. 5’-гидроксильная группа пентозы одного нуклеотида присоединена к 3’-гидроксильной группе пентозы соседнего нуклеотида с помощью фосфодиэфирной связи.

Таким образом, ковалентные остовы НК состоят из монотонно чередующихся фосфатных и пентозных групп, основания же можно рассматривать как боковые группы, присоединенные к остову на равных расстояниях друг от друга. Отметим, что все основания – это почти плоские, гидрофобные молекулы, а сахарофосфатный остов несет заряд, поскольку фосфатные группы являются кислыми и при характерных для клетки рН заряжены отрицательно. Добавим также, что цепи НК обладают определенной полярностью, или направлением, поскольку все межнуклеотидные фосфодиэфирные связи ориентированы вдоль цепи одинаково. Благодаря этой полярности каждая молекула НК имеет 5’-конец и 3’-конец.

Объединяются две полинуклеотидные цепи ДНК в единую молекулу при помощи водородных связей, возникающих между азотистыми основаниями нуклеотидов разных цепей. При этом аденин соединяется только с тимином, а гуанин с цитозином. Благодаря этому свойству последовательность нуклеотидов в одной цепочке определяет их последовательность в другой, т.е. цепи ДНК являются как бы зеркальным отражением одна другой. Такая способность к избирательному соединению нуклеотидов называется комплементарностью, и это свойство лежит в основе образования новых молекул ДНК на базе исходной молекулы, и образования РНК на базе молекулы ДНК.

Принятая в настоящее время модель структуры ДНК выглядит следующим образом. ДНК состоит из двух полинуклеотидных, антипараллельных цепей, закрученных в спираль вокруг общей оси. Антипараллельность цепей проявляется в том, что их 5’-, 3’-межнуклеотидные фосфодиэфирные мостики направлены в противоположные стороны. Гидрофильные остовы цепей, состоящие из остатков дезоксирибозы и фосфорных групп, расположены на внешней стороне двойной спирали и обращены в сторону окружающей ее воды. Гидрофобные основания обеих цепей уложены стопкой внутри двойной спирали, так что практически плоские молекулы оснований сближены между собой и расположены перпендикулярно длинной оси спирали.

Информация записывается вдоль цепи двойной спирали ДНК в форме специфической для данного организма последовательности собранных в тройки азотистых оснований (триплетный код, единый для всего живого).

Исходящая от ДНК информация кодирует аминокислотную последовательность синтезируемых белков. Отрезок ДНК, в котором закодирована информация об одной пептидной цепи белка, представляет собой отдельный ген. Совокупность всех генов конкретного организма составляет его генотип.

У прокариот гены, кодирующие функционально связанные белки, расположены последовательно друг за другом, а вся молекула ДНК – это совокупность генов. У эукариот гены, кодирующие функционально связанные белки, как правило, находятся на разных участках ДНК. В ДНК эукариот помимо уникальных последовательностей нуклеотидов, встречающихся, как правило, один раз (большинство структурных генов, кодирующих мРНК), имеется огромное количество повторяющихся последовательностей – повторов. У высших растений доля уникальных последовательностей не превышает 10-20% всей ДНК, а у млекопитающих на эту последовательность приходится не более 1%.

Большую часть генома занимают интроны – участки ДНК, включенные в состав структурных генов, но не кодирующие их специфический продукт, участок же ДНК, несущий информацию об этом продукте называют экзоном. Самое интересное, многие гены позвоночных, которые были клонированы и детально изучены, содержат большое число интронов (более 50 в гене a -цепи проколлагена).

С точки зрения наличия реально кодирующих индивидуальных последовательностей нуклеотидов в ДНК человек устроен лишь в 6 раз сложнее, чем плодовая муха дрозофила. Для чего нужен высшим организмам такой огромный избыток ДНК не совсем ясно, ясно лишь, что избыток ДНК не является для эукариотических клеток большим неудобством, и что существует довольно слабое давление отбора, направленное на уменьшение общего количества ДНК в клетке за счет сохранения лишь жизненно важных последовательностей.

ДНК является главной составной частью хромосомы клетки. Хромосома прокариотической клетки представляет собой одну очень длинную двухцепотчатую молекулу ДНК, собранную в компактное ядерное образование – нуклеоид. У прокариот генетический материал расположен в цитоплазме и не окружен мембраной.

Эукариотические клетки содержат большое число молекул ДНК, каждая из которых, как правило, гораздо длиннее единственной молекулы ДНК прокариот. Молекулы ДНК у эукариот связаны с белками – гистонами, и организованы в хроматин внутри ядра, окруженного сложной двухмембранной системой.

Кроме ядерной ДНК эукариотические клетки содержат небольшое количество ДНК в митохондриях и хлоропластах.

Функция ДНК, как уже отмечалось, состоит в том, что она хранит генетическую информацию, необходимую для кодирования структуры всех белков и всех РНК каждого вида организма, регулирует во времени и пространстве биосинтез компонентов клеток и тканей, определяет деятельность организма в течение его жизненного цикла и обеспечивает индивидуальность данного организма. Как закодирована информация и как она передается, мы рассмотрим в следующих лекциях.

Молекулы РНК по размеру гораздо короче, чем молекулы ДНК, однако их общее количество в большинстве клеток значительно превышает количество ДНК. Как в прокариотических, так и в эукариотических клетках содержится РНК трех основных классов: матричная РНК (мРНК), рибосомная РНК (рРНК) и транспортная РНК (тРНК). Матричная РНК служит матрицей, которая используется рибосомами при переводе генетической информации в аминокислотную последовательность белков. Каждой из 20 аминокислот, входящих в состав белков, соответствует одна или несколько транспортных РНК, которые связывают ее, переносят к рибосомам и служат адаптором при переводе закодированного в мРНК генетического текста в аминокислотную последовательность белка. Роль рибосомной РНК до конца не ясна, известно лишь, что она играет важную роль в структуре и биосинтетической функции рибосом.