Биология. В 3-х томах. Т. 1

В земной коре встречается около 100 химических элементов, но для жизни необходимы только 16 из них (табл. 5.1). Наиболее распространены в живых организмах (в порядке убывающего числа атомов) четыре элемента: водород, углерод, кислород и азот. На их долю приходится более 99% как массы, так и числа атомов, входящих в состав всех живых организмов. Однако в земной коре первые четыре места по распространенности занимают кислород, кремний, алюминий и натрий. Биологическое значение водорода, кислорода, азота и углерода связано в основном с их валентностью, равной соответственно 1, 2, 3 и 4, а также с их способностью образовывать более прочные ковалентные связи, нежели связи, образуемые другими элементами той же валентности (см. приложение П.1.1.3).

Таблица 5.1. Элементы, встречающиеся в живых организмах¹⁾

Значение углерода

Углерод имеет ряд уникальных химических свойств, фундаментальных для жизни. Изучением углерода и его соединений занимается отдельная отрасль химии — органическая химия. В чем заключаются эти уникальные свойства углерода? Его атомный номер равен 6, потому что в его ядре содержится шесть протонов, а вокруг ядра обращается шесть электронов (рис. П.1.1). Ядро содержит еще и шесть нейтронов, так что атомная масса углерода равна 12. Вступая в химическую реакцию, углерод приобретает заполненную (стабильную) оболочку из восьми электронов путем обобществления четырех электронов. Он, следовательно, образует ковалентные связи (обобществляет электроны), и валентность его равна 4 (он обобществляет четыре электрона). Простой пример такого обобществления электронов показан на рис. П.1.2,Г, где изображен метан, имеющий эмпирическую формулу СН₄. Здесь же, на рис. П.1.2, Г, представлена и структурная формула метана.

5.1. На основе прочитанного укажите, в чем заключается различие между эмпирической и структурной формулами.

Когда атом углерода присоединяет к себе четыре каких-нибудь атома или группы, четыре связи располагаются симметрично, образуя тетраэдр (рис. 5.1). Если такое трехмерное расположение атомов существенно, то структурную формулу молекулы можно изображать так, как это показано на рис. 5.1, Б, Другое широко применяемое условное обозначение предписывает исключать из структурной формулы все атомы углерода и все присоединенные к ним водородные атомы. Простейший пример такого обозначения представлен на рис. 5.2, где изображена этановая, или уксусная, кислота. Из рис. 5.2 видно, что эмпирическая формула уксусной кислоты имеет вид СН₃СООН.

Рис. 5.1. Тетраэдрическое расположение углеродных связей

Рис. 5.2. Два способа изображения структурных формул этановой (уксусной) кислоты СН₃СООН

Зная валентность углерода (4), нетрудно определить местоположение всех недостающих водородных атомов. Такой способ изображения удобен вдвойне: он упрощает написание структурных формул и позволяет сосредоточить внимание на более важных химических группах.

Значение углерода определяется, как сказано, тем, что он способен образовывать стабильные, прочные ковалентные связи. Эти связи он образует как с другими углеродными атомами, так и с атомами других элементов.

Углерод обладает особенностью, не свойственной (во всяком случае в такой мере) ни одному другому элементу: соединяясь между собой ковалентными связями, его атомы образуют стабильные цепи или кольца (рис. 5.3). Именно этой особенностью углерода и объясняется в первую очередь чрезвычайное разнообразие органических соединений; С-С-связи можно рассматривать как скелет органических молекул.

Рис. 5.3. Цепь (А) и кольцо (Б), построенные из атомов углерода путем образования С-С — связей

5.2. Напишите структурные формулы а) октана и б) бензола, руководствуясь рис. 5.2.

Углеродные атомы образуют обычно ковалентные связи с атомами Н, N, О, Р и S. Соединение с этими и с другими элементами в различных комбинациях обеспечивает большое разнообразие органических соединений.

Кратные связи. Еще одно важное свойство углерода заключается в его способности образовывать кратные связи; этим же свойством обладают кислород и фосфор. Известны следующие кратные связи:

Кратные связи

Соединения, содержащие двойные (=) или тройные (≡) углерод-углеродные связи, называются ненасыщенными. В насыщенном соединении имеются только простые (одинарные) углерод-углеродные связи.

5.3. Напишите структурную формулу ненасыщенного органического соединения этена (этилена) С₂Н₄.

Суммируем важные химические свойства углерода:

1. Его атомы сравнительно малы и атомная масса невелика.

2. Он способен образовывать четыре прочные ковалентные связи.

3. Он образует углерод-углеродные связи, строя таким путем длинные углеродные скелеты молекул в виде цепей и (или) колец.

4. Он образует кратные ковалентные связи с другими углеродными атомами, а также с кислородом и азотом.

Это уникальное сочетание свойств обеспечивает колоссальное разнообразие органических молекул. Разнообразие проявляется в размерах молекул, определяемых их углеродным скелетом, в химических свойствах, которые зависят от присоединенных к скелету элементов и химических групп, а также от степени насыщенности скелета, и, наконец, в различной форме молекул, определяемой геометрией, т. е. углами связей.

Ознакомившись с элементами, присутствующими в живых организмах, обратимся теперь к соединениям, в состав которых эти элементы входят. И здесь мы также обнаруживаем фундаментальное сходство между всеми живыми организмами. Больше всего в организмах содержится воды — от 60 до 95% общей массы организма. Во всех организмах мы находим также и некоторые простые органические соединения, играющие роль "строительных блоков", из которых строятся более крупные молекулы (табл. 5.2). О них речь пойдет ниже.

Таблица 5.2. Химические 'строительные блоки' органических соединений

Таким образом, сравнительно небольшое число видов молекул дает начало всем более крупным молекулам и структурам живых клеток. По мнению биологов, эти немногие виды молекул могли синтезироваться в "первичном бульоне" (т. е. в концентрированном растворе химических веществ) в мировом океане на ранних этапах существования Земли, еще до появления жизни на нашей планете (разд. 24.1). Простые молекулы строятся в свою очередь из еще более простых неорганических молекул, а именно из диоксида углерода, из азота и воды.

Важная роль воды

Без воды жизнь на нашей планете не могла бы существовать. Вода важна для живых организмов вдвойне, ибо она не только необходимый компонент живых клеток, но для многих еще и среда обитания. Нам следует поэтому сказать здесь несколько слов о ее химических и физических свойствах.

Свойства эти довольно необычны и связаны главным образом с малыми размерами молекул воды, с полярностью ее молекул и с их способностью соединяться друг с другом водородными связями. Под полярностью подразумевают неравномерное распределение зарядов в молекуле. У воды один конец молекулы несет небольшой положительный заряд, а другой — отрицательный. Такую молекулу называют диполем. Более электроотрицательный атом кислорода притягивает электроны водородных атомов. В результате между молекулами воды возникает электростатическое взаимодействие, а, поскольку противоположные заряды притягиваются, молекулы как бы склонны "склеиваться" (рис. 5.4). Эти взаимодействия, более слабые, чем обычные ионные связи, называются водородными связями. Учитывая данную особенность воды, мы можем теперь перейти к рассмотрению тех ее свойств, которые важны с биологической точки зрения.

Рис. 5.4. Водородная связь между двумя полярными молекулами воды. δ⁺ — очень маленький положительный заряд; δ^- — очень маленький отрицательный заряд

Биологическое значение воды

Вода как растворитель. Вода — превосходный растворитель для полярных веществ. К ним относятся ионные соединения, такие, как соли, у которых заряженные частицы (ионы) диссоциируют (отделяются друг от друга) в воде, когда вещество растворяется (рис. 5.5), а также некоторые неионные соединения, например сахара и простые спирты, в молекуле которых присутствуют заряженные (полярные) группы (у Сахаров и спиртов это ОН-группы).

Рис. 5.5. Распределение молекул воды вокруг аниона (-) и катиона (+). Обратите внимание, что более электроотрицательные атомы кислорода молекул воды обращены в сторону катиона, а вокруг аниона они направлены, наоборот, наружу. Это наблюдается, когда ионные соединения растворяются в воде. Вследствие присущей им полярности молекулы воды ослабляют притяжение между ионами противоположного знака, а затем окружают ионы и удерживают их на определенном расстоянии друг от друга. В этих случаях принято говорить, что ионы гидратированы

Когда вещество переходит в раствор, его молекулы или ионы получают возможность двигаться более свободно и соответственно его реакционная способность возрастает. По этой причине в клетке большая часть химических реакций протекает в водных растворах. Неполярные вещества, например липиды, не смешиваются с водой и потому могут разделять водные растворы на отдельные компартменты, подобно тому как их разделяют мембраны. Неполярные части молекул отталкиваются водой и в ее присутствии притягиваются друг к другу, как это бывает, например, когда капельки масла сливаются в более крупные капли; иначе говоря, неполярные молекулы гидрофобны. Подобные гидрофобные взаимодействия играют важную роль в обеспечении стабильности мембран, а также многих белковых молекул, нуклеиновых кислот и других субклеточных структур.

Присущие воде свойства растворителя означают также, что вода служит средой для транспорта различных веществ. Эту роль она выполняет в крови, в лимфатической и экскреторной системах, в пищеварительном тракте и во флоэме и ксилеме растений.

Большая теплоемкость. Удельной теплоемкостью воды называют количество теплоты в джоулях, которое необходимо, чтобы поднять температуру 1 кг воды на 1°С. Вода обладает большой теплоемкостью. Это значит, что существенное увеличение тепловой энергии вызывает лишь сравнительно небольшое повышение ее температуры. Объясняется такое явление тем, что значительная часть этой энергии расходуется на разрыв водородных связей, ограничивающих подвижность молекул воды, т. е. на преодоление ее упомянутой выше "клейкости".

Большая теплоемкость воды сводит к минимуму происходящие в ней температурные изменения. Благодаря этому биохимические процессы протекают в меньшем интервале температур, с более постоянной скоростью и опасность нарушения этих процессов от резких отклонений температуры грозит им не столь сильно. Вода служит для многих клеток и организмов средой обитания, для которой характерно довольно значительное постоянство условий.

Большая теплота испарения. Скрытая теплота испарения (или относительная скрытая теплота испарения) есть мера количества тепловой энергии, которую необходимо сообщить жидкости для ее перехода в пар, т. е. для преодоления сил молекулярного сцепления в жидкости. Испарение воды требует довольно значительных количеств энергии. Это объясняется существованием водородных связей между молекулами воды. Именно в силу этого температура кипения воды — вещества со столь малыми молекулами — необычно высока.

Энергия, необходимая молекулам воды для испарения, черпается из их окружения. Таким образом, испарение сопровождается охлаждением. Это явление используется у животных при потоотделении, при тепловой одышке у млекопитающих или у некоторых рептилий (например, у крокодилов), которые на солнцепеке сидят с открытым ртом; возможно, оно играет заметную роль и в охлаждении транспирирующих листьев.

Большая теплота плавления. Скрытая теплота плавления (или относительная скрытая теплота плавления) есть мера тепловой энергии, необходимой для расплавления твердого вещества (в нашем случае — льда). Воде для плавления (таяния) необходимо сравнительно большое количество энергии. Справедливо и обратное: при замерзании вода должна отдать большое количество тепловой энергии. Это уменьшает вероятность замерзания содержимого клеток и окружающей их жидкости. Кристаллы льда особенно губительны для живого, когда они образуются внутри клеток.

Плотность и поведение воды вблизи точки замерзания. Плотность воды от +4 до 0°С понижается, поэтому лед легче воды и в воде не тонет. Вода — единственное вещество, обладающее в жидком состоянии большей плотностью, чем в твердом.

Поскольку лед плавает в воде, он образуется при замерзании сначала на ее поверхности и лишь под конец в придонных слоях. Если бы замерзание прудов шло в обратном порядке, снизу вверх, то в областях с умеренным или холодным климатом жизнь в пресноводных водоемах вообще не могла бы существовать. Лед покрывает толщу воды, как одеялом, что повышает шансы на выживание у организмов, обитающих в воде. Это важно в условиях холодного климата и в холодное время года, но, несомненно, особенно важную роль это играло в ледниковый период. Находясь на поверхности, лед быстрее и тает. То обстоятельство, что слои воды, температура которых упала ниже 4°С, поднимаются вверх, обусловливает перемешивание воды в больших водоемах. Вместе с водой циркулируют и находящиеся в ней питательные вещества, благодаря чему водоемы заселяются живыми организмами на большую глубину.

Большое поверхностное натяжение и когезия. Когезия — это сцепление молекул физического тела друг с другом под действием сил притяжения. На поверхности жидкости существует поверхностное натяжение — результат действующих между молекулами сил когезии, направленных внутрь. Благодаря поверхностному натяжению жидкость стремится принять такую форму, чтобы площадь ее поверхности была минимальной (в идеале — форму шара). Из всех жидкостей самое большое поверхностное натяжение у воды. Значительная когезия, характерная для молекул воды, играет важную роль в живых клетках, а также при движении воды по сосудам ксилемы в растениях (разд. 14.4). Многие мелкие организмы извлекают для себя пользу из поверхностного натяжения: оно позволяет им удерживаться на воде или скользить по ее поверхности.

Вода как реагент. Биологическое значение воды определяется и тем, что она представляет собой один из необходимых метаболитов, т. е. участвует в метаболических реакциях. Вода используется, например, в качестве источника водорода в процессе фотосинтеза (разд. 9.4.2), а также участвует в реакциях гидролиза.

Вода и процесс эволюции. Роль воды для живых организмов находит свое отражение, в частности, в том факте, что одним из главных факторов естественного отбора, влияющих на видообразование, является недостаток воды. К этой теме мы уже обращались в гл. 3 и 4, когда обсуждали ограничения, с которыми связано распространение некоторых растений, имеющих подвижные гаметы. Все наземные организмы приспособлены к тому, чтобы добывать и сберегать воду; в крайних своих проявлениях — у ксерофитов, у обитающих в пустыне животных и т. п. — такого рода приспособления представляются подлинным чудом "изобретательности" природы. В табл. 5.3 перечислен ряд важных биологических функций воды.

Таблица 5.3. Некоторые важные биологические функции воды

Моносахариды — это простые сахара. На рис. 5.6 показана их эмпирическая формула и приведены некоторые свойства. В зависимости от числа атомов углерода в молекуле среди моносахаридов различают триозы (ЗС), тетрозы (4С), пентозы (5С), гексозы (6С) и гептозы (7С). В природе наиболее часто встречаются пентозы и гексозы.

5.4. Какова эмпирическая формула для каждого из этих типов Сахаров?

Основные функции, выполняемые моносахаридами, перечислены в табл. 5.6.

Таблица 5.6. Основные функции моносахаридов

Производные моносахаридов

Из табл. 5.6 видно, что моносахариды важны как источник энергии, а также как строительные блоки для синтеза более крупных молекул. В качестве строительных блоков они особенно пригодны благодаря своей высокой химической активности и большому структурному разнообразию. Разнообразие это определяется как тем, что число атомов углерода в молекулах разных моносахаридов различно (об этом мы уже говорили выше), так и некоторыми другими важными факторами, которые мы обсудим ниже.

Альдозы и кетозы

В молекулах моносахаридов ко всем атомам углерода, за исключением одного, присоединены гидроксильные группы. Этот один атом углерода входит в состав либо альдегидной группы, либо кетогруппы (оксогруппы). В первом случае моносахарид называется альдозой, а во втором — кетозой. Таким образом, любой моносахарид представляет собой либо альдозу, либо кетозу. Простейшими моносахаридами являются две триозы — глицеральдегид и дигидроксиацетон. Глицеральдегид содержит альдегидную группу, а дигидроксиацетон — кетогруппу. Поэтому все прочие альдозы и кетозы можно рассматривать как производные соответственно глицеральдегида или дигидроксиацетона (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Строение глицеральдегида и дигидроксиацетона. Обратите внимание на положение альдегидной группы и кетогруппы. Альдегидная группа всегда находится на конце углеродной цепи

5.5. Если вы слабо знаете химию, то вам полез но ответить на следующие вопросы, относящиеся к рис. 5.7:

а) Какова валентность каждого элемента?

б) Каково общее число атомов каждого элемента?

Согласуется ли оно с эмпирической формулой данного соединения?

в) Сколько гидроксильных групп имеется в каждой из этих двух молекул? Можно ли предсказать их число, зная, что эти сахара триозы?

г) Можете ли вы указать какие-нибудь другие химические группы, не обозначенные на рисунке?

На рис. 5.8 представлены структурные формулы некоторых других широко распространенных альдоз и кетоз. Вообще альдозы, например рибоза и глюкоза, встречаются чаще, нежели кетозы, например рибулоза и фруктоза.

5.6. Укажите, какие из Сахаров на рис. 5.8 представляют собой пентозы и какие — гексозы.

Оптическая изомерия

Вторая важная структурная особенность моносахаридов — это свойственная им изомерия. Если два разных вещества отвечают одной и той же эмпирической формуле, то их называют изомерами. Различают два основных вида изомерии: структурную и пространственную (стереоизомерию). Структурная изомерия обусловливается различным порядком связей между атомами или группами атомов в молекуле. Так, все гексозы являются по отношению друг к другу структурными изомерами (ср. на рис. 5.8 глюкозу, маннозу, галактозу и фруктозу; все они отвечают эмпирической формуле С₆Н₁₂О₆).

Рис. 5.8. Некоторые распространенные альдозы и кетозы. Атомы углерода пронумерованы согласно принятому порядку. Звездочкой отмечены асимметрические атомы углерода (см. разд. 'Оптическая изомерия')

Пространственная изомерия обусловливается различным расположением атомов или групп атомов в пространстве при одинаковом порядке связей между ними. Различают геометрическую и оптическую пространственную изомерию. О геометрической изомерии, свойственной некоторым соединениям, содержащим двойные связи, мы здесь говорить не будем. Оптическая же изомерия интересует нас потому, что она является биологически важным свойством моносахаридов и аминокислот.

Некоторые твердые вещества в растворе (а также некоторые жидкие вещества) обладают оптической активностью, т. е. способностью поворачивать плоскость, в которой происходят колебания плоскополяризованного света. Плоскополяризованным называется свет, в котором колебания происходят только в одной плоскости; в неполяризованном свете колебания происходят по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения светового луча. Сказанное легче понять, обратившись к рис. 5.9, поясняющему, как естественный свет превращается в плоскополяризованный, проходя через поляроид, и как затем плоскость поляризации меняется при прохождении через оптически активное вещество.

Рис. 5.9. Сущность оптической изомерии

Если данное вещество вращает плоскость поляризации вправо, то его называют правовращающим, а если влево — левовращающим. Угол вращения плоскости поляризации измеряют при помощи прибора, называемого поляриметром.

Оптическая изомерия — свойство любого соединения, которое может существовать в двух формах, относящихся друг к другу, как предмет к своему зеркальному отражению. Подобно правой и левой перчаткам, эти структуры ни при каком перемещении в пространстве не могут совпасть друг с другом. У органических соединений оптическая изомерия обусловливается наличием в молекуле атома углерода, связанного с четырьмя различными заместителями (атомами или группами атомов). Такой атом углерода называют асимметрическим. Из рис. 5.10, А видно, что при тетраэдрическом расположении связей, при котором асимметрический атом углерода находится в центре тетраэдра, а четыре заместителя — в вершинах тетраэдра, есть два возможных способа расположения заместителей в пространстве. Видно также, что соответствующие структуры относятся друг к другу, как предмет к своему зеркальному отражению. Простейшим примером моносахарида, обнаруживающего оптическую изомерию, может служить глицеральдегид. В молекуле глицеральдегида имеется один асимметрический атом углерода, и этот моносахарид существует в двух формах, представленных на рис. 5.10, Б.

Рис. 5.10. Оптическая изомерия. А. Схема, иллюстрирующая асимметрию углеродных атомов. В. Два способа изображения оптических изомеров глицеральдегида. В. Молекулярные модели двух оптических изомеров глицеральдегида

Правовращающие соединения обозначают буквой d или знаком (+) (последнее обозначение принято позже), а левовращающие — буквой l или знаком (-). Два изомера глицеральдегида обозначают как D-изомер (правовращающий) и L-изомер (левовращающий). Все оптические изомеры моносахаридов родственны по конфигурации либо одной, либо другой из этих двух форм глицеральдегида. Согласно конвенции, моносахарид обозначается как D-изомер, если в его молекуле гидроксильная группа у асимметрического атома углерода, наиболее удаленного от альдегидной или кетогруппы, занимает то же положение, что и в молекуле D-глицеральдегида; если же она занимает то же положение, что и в молекуле L-глицеральдегида, то такую форму обозначают как L-изомер. Обозначения эти не зависят от того, вправо или влево вращает плоскость поляризации света данное соединение. Все изомеры, представленные на рис. 5.8, принадлежат к D-ряду, так же как и практически все моносахариды, встречающиеся в природе. Вращают же плоскость поляризации света одни из них вправо, а другие влево. D-глюкоза, например, вращает плоскость поляризации вправо, а D-фруктоза — влево. На рис. 5.11 представлены D- и L-изомеры глюкозы; видно, что они относятся друг к другу, как предмет к своему зеркальному отражению.

Рис. 5.11. D- и L-изомеры глюкозы. Обратите внимание, что они представляют собой несовместимые зеркальные отражения друг друга

D- и L-изомеры какого-либо одного вещества одинаковы по своим химическим и физическим свойствам и поэтому носят одно и то же химическое название, например D- и L-глицеральдегид; однако их трехмерные различия существенны в биологическом отношении, поскольку ферменты, узнающие свои субстраты по форме молекул, способны различать оптические антиподы. Возможно, что на ранних стадиях эволюции сложилось некое произвольное предпочтение в пользу D-изомеров Сахаров, так как L-изомеры Сахаров встречаются в природе редко. Вместе с тем, например, аминокислоты представлены в природе только L-изомерами.

Циклические структуры

На рис. 5.8 молекулы пентоз и гексоз представлены в виде прямолинейных цепочек. Однако углы связей между атомами углерода в этих молекулах таковы, что возможно также образование стабильных циклических структур. У пентоз первый атом углерода соединяется с кислородом при четвертом углеродном атоме, в результате чего образуется пятичленное, так называемое фуранозное кольцо (рис. 5.12). У гексоз, относящихся к альдозам, например у глюкозы, первый атом углерода соединяется с кислородом при пятом углеродном атоме, что приводит к образованию шестичленного, или пиранозного, кольца (рис. 5.13). Гексозы, относящиеся к кетозам, образуют фуранозное кольцо в результате соединения второго атома углерода с кислородом при пятом углеродном атоме.

Рис. 5.12. Три принятых способа изображения строения рибозы

Рис. 5.13. Два принятых способа изображения строения глюкозы

Циклические структуры пентоз и гексоз — обычные их формы; в любой данный момент лишь небольшая часть молекул существует в виде "открытой цепи". В состав дисахаридов и полисахаридов также входят циклические формы моносахаридов.

α- и β-изомеры

Биологическое значение циклических структур определяется тем, что при образовании такой структуры возникает еще один асимметрический атом углерода. На рис. 5.12 и 5.13 этот атом углерода отмечен звездочкой. Мы видим, что в обоих случаях к нему присоединена гидроксильная (-ОН) группа. Эта группа может располагаться либо под плоскостью цикла, как это показано на рис. 5.12 и 5.13, либо над ней. Первая форма представляет собой α-изомер, a вторая — β-изомер. Существование α- и β-изомеров обеспечивает большое химическое разнообразие и играет важную роль, например, в образовании крахмала и целлюлозы (разд. 5.2.3).

5.7. а) Изобразите рядом для сравнения α- и β-изомеры D-рибозы и D-глюкозы. б) С какого рода изомерией мы имеем здесь дело?

На рис. 5.6 отмечены некоторые свойства дисахаридов. Дисахариды образуются в результате реакции конденсации между двумя моносахаридами, обычно гексозами (рис. 5.14).

Рис. 5.14. А Образование дисахарида и полисахарида. Показаны лишь те части молекул, которые в данном случае представляют для нас интерес. Полностью молекула глюкозы представлена на рис. 5.13. Б. Строение целлюлозы. У некоторых полисахаридов, например у целлюлозы, присоединяемые моносахаридные единицы при каждой очередной конденсации поворачиваются на 180°

Связь между двумя моносахаридами называют гликозидной связью. Обычно она образуется между 1-м и 4-м углеродными атомами соседних моносахаридных единиц (1,4-гликозидная связь). Этот процесс может повторяться бессчетное число раз, в результате чего и возникают гигантские молекулы полисахаридов (рис. 5.14). После того как моносахаридные единицы соединятся друг с другом, их называют остатками. Таким образом, мальтоза состоит из двух остатков глюкозы.

Среди дисахаридов наиболее широко распространены мальтоза, лактоза и сахароза:

Мальтоза образуется из крахмала в процессе его переваривания (например, в организме животных или при прорастании семян) под действием ферментов, называемых амилазами. Расщепление мальтозы до глюкозы происходит под действием фермента, называемого мальтозой. Лактоза, или молочный сахар, содержится только в молоке. Сахароза, или тростниковый сахар, наиболее распространена в растениях. Здесь она в больших количествах транспортируется по флоэме. Иногда она откладывается в качестве запасного питательного вещества, так как метаболически она довольно инертна. Промышленным способом сахарозу получают из сахарного тростника или из сахарной свеклы; именно она и есть тот самый "сахар", который мы обычно покупаем в магазине.

Редуцирующие сахара

Все моносахариды и некоторые дисахариды, в том числе мальтоза и лактоза, относятся к группе редуцирующих (восстанавливающих) Сахаров. Сахароза — нередуцирующий сахар. Восстановительная способность Сахаров зависит у альдоз от активности альдегидной группы, а у кетоз от активности как кетогруппы, так и первичных спиртовых групп. У нередуцирующих Сахаров эти группы не могут вступать в какие-либо реакции, потому что здесь они участвуют в образовании гликозидной связи. Две обычные реакции на редуцирующие сахара — реакция Бенедикта и реакция Фелинга (разд. 5.8) — основаны на способности этих Сахаров восстанавливать ион двухвалентной меди до одновалентной. В обеих реакциях используется щелочной раствор сульфата меди(ΙΙ) (CuSO₄), который восстанавливается до нерастворимого оксида меди(Ι) (Cu₂О).

Рис. 5.6 дает представление о некоторых свойствах полисахаридов. Эти соединения играют главным образом роль резерва пищи и энергии (например, крахмал и гликоген), а также используются в качестве строительных материалов (например, целлюлоза). Полисахариды удобны в качестве запасных веществ по ряду причин: большие размеры молекул делают их практически нерастворимыми в воде и, следовательно, они не оказывают на клетку ни осмотического, ни химического влияния; их цепи могут компактно свертываться (см. об этом ниже); при необходимости они легко могут быть превращены в сахара путем гидролиза.

Полисахариды, как уже было сказано, — это полимеры моносахаридов. Полимеры пентоз называются пентозанами, а полимеры гексоз — гексозанами. Полимеры, построенные из остатков глюкозы, носят название глюкозанов.

Крахмал

Крахмал — полимер глюкозы. У растений крахмал служит главным запасом "горючего", но его не бывает у животных, у которых его функцию выполняет гликоген (см. ниже). Молекулы крахмала состоят из двух компонентов — амилозы и амилопектина. Линейные цепи амилозы, состоящие из нескольких тысяч остатков глюкозы, способны спирально свертываться и таким образом принимать более компактную форму. У разветвленного полисахарида амилопектина компактность обеспечивается интенсивным ветвлением цепей за счет образования 1,6-гликозидных связей (рис. 5.15). Амилопектин содержит приблизительно вдвое больше глюкозных остатков, чем амилоза.

Рис. 5.15. Строение амилопектина. Показана одна точка ветвления

С раствором йода в йодистом калии (Ι₂/КΙ) водная суспензия амилозы дает темно-синюю окраску, а суспензия амилопектина — красно-фиолетовую. На этом основана проба на крахмал (разд. 5.8). Крахмал запасается в клетках в виде так называемых крахмальных зерен. Их можно видеть в первую очередь в хлоропластах листьев (рис. 9.6), а также в органах, где запасаются питательные вещества, например в клубнях картофеля или в семенах злаков и бобовых. Крахмальные зерна имеют слоистую структуру и у разных видов растений различаются как по форме, так и по размерам.

5.8. Из какого изомера глюкозы (см. вопрос 5.7), т. е. из α- или β-глюкозы, строятся молекулы крахмала?

Гликоген

Гликоген — это эквивалент крахмала, синтезируемый в животном организме, т. е. это тоже резервный полисахарид, построенный из остатков глюкозы; встречается гликоген и в клетках многих грибов. У позвоночных гликоген содержится главным образом в печени и в мышцах, иными словами, в местах высокой метаболической активности, где он служит источником глюкозы, используемой в процессе дыхания. По своему строению гликоген весьма схож с амилопектином, но цепи его ветвятся еще сильнее. В клетках гликоген отлагается в виде крошечных гранул, которые обычно бывают связаны с гладким эндоплазматическим ретикулумом (рис. 7.5). Метаболические превращения гликогена описаны в гл. 11.

Целлюлоза

Целлюлоза также представляет собой полимер глюкозы.

5.9. Строение целлюлозы изображено на рис. 5.14, Б. Из каких остатков глюкозы (α или β) построены ее молекулы? (Ответ на этот вопрос позволит понять, почему каждый следующий остаток в молекуле целлюлозы повернут относительно предыдущего на 180°.)

В целлюлозе заключено около 50% углерода, находящегося в растениях, и по общей своей массе целлюлоза на Земле занимает первое место среди всех органических соединений. Практически всю целлюлозу поставляют растения, хотя она встречается также у некоторых низших беспозвоночных и у одного класса грибов (у оомицетов). Целлюлозы так много на Земле потому, что у всех растений из нее построены клеточные стенки: в среднем 20-40% материала клеточной стенки составляет именно целлюлоза. Строение целлюлозных волокон делает их как нельзя лучше приспособленными для этой роли. Они представляют собой длинные цепи — приблизительно из 10000 остатков глюкозы (рис. 5.14, Б). Из каждой цепи выступает наружу множество — ОН-групп. Эти группы направлены во все стороны и образуют водородные связи с соседними цепями, что обеспечивает жесткое поперечное сшивание всех цепей. Цепи объединены друг с другом, образуя микрофибриллы, а последние в свою очередь собраны в пучки, т. е. в более крупные структуры, называемые микрофибриллами. Прочность на разрыв при таком строении чрезвычайно велика (некоторое представление об этом дает испытание на разрыв такого материала, как хлопок, состоящего почти полностью из целлюлозы). Макрофибриллы, располагаясь слоями, погружены в цементирующий матрикс, состоящий из других полисахаридов (см. его описание в разд. 7.3.1). При всей своей прочности эти слои легко пропускают воду и растворенные в ней вещества — свойство, весьма существенное для активно функционирующих растительных клеток. Помимо того что целлюлоза является одним из структурных компонентов растительных клеточных стенок, она служит также и пищей для некоторых животных, бактерий и грибов. Фермент целлюлаза, расщепляющий целлюлозу до глюкозы, сравнительно редко встречается в природе. Поэтому большинство животных, в том числе и человек, не могут использовать целлюлозу, хотя она представляет собой практически неисчерпаемый и потенциально очень ценный источник глюкозы. Однако у жвачных животных, например у коровы, в кишечнике обитают в качестве симбионтов бактерии, которые переваривают целлюлозу. Чрезвычайное обилие целлюлозы в природе и сравнительно медленный ее распад важны в экологическом плане, ибо они означают, что большое количество углерода остается "запертым" в этом веществе, а между тем углерод абсолютно необходим всем живым организмам. Промышленное значение целлюлозы огромно. Из нее изготовляют, в частности, хлопчатобумажные ткани и бумагу.

Каллоза

Каллоза — аморфный полимер глюкозы, встречающийся в разных частях растительного организма и часто образующийся в нем в ответ на повреждение или неблагоприятное воздействие. Особенно важную роль играет каллоза в ситовидных трубках флоэмы (гл. 14). Глюкозные остатки в молекулах каллозы связаны 1,3 — гликозидными связями.

Инулин

Этот полисахарид необычен в том отношении, что он представляет собой полимер фруктозы. Инулин играет роль резервного вещества главным образом в корнях и клубнях растений сем. Compositae, например у георгинов (Dahlia).

Выше мы уже упоминали (табл. 5.6) сахарные спирты и сахарные кислоты. Эти вещества часто включаются в состав полисахаридов наряду с простыми сахарами. Образующиеся продукты носят название "мукополисахариды". Мукополисахариды имеют большое биологическое значение.

Хитин

По своей структуре и функции хитин очень близок к целлюлозе; это тоже структурный полисахарид. Хитин встречается у некоторых грибов, где он играет в клеточных стенках опорную роль благодаря своей волокнистой структуре, а также у некоторых групп животных (особенно у членистоногих) в качестве важного компонента их наружного скелета. Строение хитина идентично строению целлюлозы, за одним исключением: при 2-м атоме углерода гидроксильная (-ОН) группа заменена группой -NH.CO.CH₃, что можно рассматривать как результат присоединения к аминосахару глюкозамину ацетильной группы (СН₃СО-). Хитин, следовательно, является полимером ацетилглюкозамина (рис. 5.16). Его длинные параллельные цепи так же, как и цепи целлюлозы, собраны в пучки.

Рис. 5.16. Строение хитина

Гликопротеины и гликолипиды

Гликопротеины и гликолипиды — это важные биологические соединения, содержащие ту или иную полисахаридную единицу (о гликолипидах см. также разд. 5.3.8). Табл. 5.7 дает представление о многообразных функциях, выполняемых различными другими полисахаридами и родственными соединениями. Главное, на что следует обратить здесь внимание, — это очень большое разнообразие соединений с различной структурой, которое и лежит в основе широкого разнообразия их функций.

Таблица 5.7. Дополнительные сведения о других полисахаридах и родственных веществах[18]

5.10. Охарактеризуйте структуру и функцию крахмала, гликогена, целлюлозы и хитина, представив эти данные в форме таблицы, наподобие табл. 5.7.

5.11. Какие структурные особенности углеводов обеспечивают столь большое разнообразие полисахаридов?

Жирные кислоты

Жирные кислоты содержат в своей молекуле кислотную группу -СООН (карбоксильную группу). "Жирными" их называют потому, что некоторые высокомолекулярные члены этой группы входят в состав жиров. Общая формула жирных кислот имеет вид R·COOH, где R-атом водорода или алкильный радикал типа -СН₃, -С₂Н₅ и т. д.; каждый следующий член этого ряда отличается от предыдущего на одну группу -СН₂. В липидах радикал R представлен обычно длинной цепью углеродных атомов. Большая часть жирных кислот содержит четное число атомов углерода, от 14 до 22 (чаще всего 16 или 18). На рис. 5.17 изображено строение двух наиболее распространенных жирных кислот. Обратите внимание на длинную цепь из атомов углерода и водорода, составляющую углеводородный хвост молекулы. Углеводородные хвосты молекул определяют многие свойства липидов, в том числе и нерастворимость липидов в воде. Углеводородные хвосты гидрофобны (hydro — вода; phobos — страх).

Рис. 5.17. Строение двух распространенных жирных кислот. А. Стеариновая кислота (С₁₇Н₃₅СООН)-насыщенная жирная кислота; у пальмитиновой кислоты (С₁₅Н₃₁СООН) углеводородный хвост короче на два атома углерода. Б. Олеиновая кислота (С₁₇Н₃₃СООН) — ненасыщенная жирная кислота

Иногда в жирных кислотах имеются одна или несколько двойных связей (С=С) (например, в олеиновой кислоте; рис. 5.17). В этом случае жирные кислоты, а также содержащие их липиды называются ненасыщенными. Жирные кислоты и липиды, в молекулах которых нет двойных связей, называются насыщенными. Ненасыщенные жирные кислоты плавятся при значительно более низких температурах, чем насыщенные. Олеиновая кислота — основной компонент оливкового масла-при обычных температурах бывает жидкой (Т_пл=13,4°С), тогда как пальмитиновая и стеариновая кислоты (Т_пл=63,1°С и Т_пл=69,6°С) при таких температурах остаются твердыми.

5.13. В клетках пойкилотермных ("холоднокровных") животных содержание ненасыщенных жирных кислот обычно выше, чем в клетках гомойотермных ("теплокровных") животных. Как вы это объясните?

Спирты

Большая часть липидов — это сложные эфиры спирта глицерола (рис. 5.18). Их называют поэтому глицеридами.

Рис. 5.18. Образование ли пи да из глицерола и жирных кислот посредством реакций конденсации. R¹, R² и R³ могут быть одинаковыми (например, три остатка стеариновой кислоты в тристеарине или три остатка олеиновой кислоты в триолеине); однако чаще R¹, R² и R³ бывают представлены разными жирными кислотами

За исключением пролина и гидроксипролина, которые представляют собой иминокислоты (табл. 5.9), все остальные соединения, перечисленные в табл. 5.9, являются α-аминокислотами, т. е. содержат аминогруппу (-NH₂), присоединенную к α-углероду (счет углеродных атомов ведется от карбоксильной группы -СООН). Общая формула аминокислот приведена на рис. 5.21.

Рис. 5.21. Общая формула аминокислот

У большей части аминокислот имеются одна кислотная группа (карбоксильная) и одна основная (аминогруппа); эти аминокислоты называют нейтральными. Существуют, однако, и основные аминокислоты — с более чем одной аминогруппой, а также кислые аминокислоты — с более чем одной карбоксильной группой. Остальная часть молекулы представлена R-группой. Ее строение у разных аминокислот сильно варьирует, и именно она определяет уникальные свойства каждой отдельной аминокислоты.

В простейшей аминокислоте-глицине (рис. 5.22) — роль R играет атом водорода Н. Во всех остальных случаях все четыре заместителя у α-углерода различны, так что это — асимметрический атом. Все эти аминокислоты должны быть, следовательно, представлены двумя оптически активными формами. Действительно, все аминокислоты, за исключением глицина, оптически активны и могут существовать в двух конфигурациях — в D-форме или L-форме. В природе аминокислоты встречаются обычно только в L-форме. Оптическую изомерию мы уже обсудили в этой главе ранее.

Рис. 5.22. Глицин

Если R представляет собой метильную (-СН₃) группу, то образуется аминокислота аланин (рис. 5.23).

Рис. 5.23. Алании

В табл. 5.9 указаны названия, принятые сокращенные обозначения и R-группы аминокислот, известных как обычные компоненты белков ("стандартные аминокислоты").

Редкие (нестандартные) аминокислоты

В живых организмах встречается небольшое число редких аминокислот. Они представляют собой производные некоторых стандартных аминокислот. Гидроксипролин, например, это производное пролина, входящее в состав коллагена; кроме гидроксипролина в коллагене содержится еще одна редкая аминокислота — гидроксилизин, производное лизина.

В триплетном коде ДНК нет кодонов для этих редких аминокислот; редкие аминокислоты образуются путем модификации соответствующих исходных аминокислот уже после того, как эти последние включатся в полипептидную цепь.

Аминокислоты, которые не входят в состав белков

Таких кислот известно свыше 150. Они встречаются в клетках в свободном или связанном виде, но никогда не обнаруживаются в составе белков. Орнитин и цитруллин, например, это важные промежуточные продукты на пути синтеза аргинина. у-Аминомасляную кислоту можно обнаружить только в нервной ткани. Она выполняет функцию ингибитора нейромедиаторов и играет важную роль в центральной нервной системе.

Аминокислоты способны образовывать ряд химических связей с различными реакционноспособными группами. Ниже мы убедимся в том, что это их свойство крайне существенно для структуры и функции белков.

Пептидная связь

Эта связь образуется в результате выделения молекулы воды при взаимодействии аминогруппы одной аминокислоты с карбоксильной группой другой. Реакция, идущая с выделением воды, называется реакцией конденсации, а возникающая ковалентная азот-углеродная связь — пептидной связью (рис. 5.26). Соединение, образующееся в результате конденсации двух аминокислот, представляет собой дипептид. На одном конце его молекулы находится свободная аминогруппа, а на другом — свободная карбоксильная группа. Благодаря этому дипептид может присоединять к себе другие аминокислоты. Если таким образом соединяется много аминокислот, то образуется полипептид (рис. 5.27).

Рис. 5.26. Образование дипептида в результате конденсации двух аминокислот

Рис. 5.27. Часть молекулы полипептида, образованная тремя остатками аминокислоты. Пептидные связи обозначены звездочкой

5.16. Напишите структурную формулу трипептида, состоящего из аланина, глицина и серина, соединенных в указанном порядке.

Ионная связь

При подходящем значении рН ионизированная аминогруппа может взаимодействовать с ионизированной карбоксильной группой, в результате чего возникает ионная связь (рис. 5.28). В водной среде ионные связи значительно слабее ковалентных; они могут разрываться при изменении рН среды.

Рис. 5.28. Образование ионной связи

Дисульфидная связь

Когда соединяются две молекулы цистеина, их сульфгидрильные (-SH) группы, оказавшиеся по соседству, окисляются и образуют дисульфидную связь (рис. 5.29). Дисульфидные связи могут возникать как между разными полипептидными цепями, так и между различными участками одной и той же полипептидной цепи. Это обстоятельство играет важную роль в белковой структуре (рис. 5.32 и 5.33).

Рис. 5.29. Образование дисульфидной связи

Водородная связь

Электроположительные водородные атомы, соединенные с кислородом или азотом в группах -ОН или -NH, стремятся обобществить электроны с находящимся по соседству электроотрицательным атомом кислорода, например с кислородом группы =СО (рис. 5.30). Образующаяся в результате этого водородная связь слаба, но такие связи возникают очень часто, так что общий их вклад в стабильность молекулярной структуры (например, структуры шелка) весьма значителен (рис. 5.35, А).

Рис. 5.30. Образование водородной связи

Каждому белку свойственна своя особая геометрическая форма, или конформация. При описании трехмерной структуры белков рассматривают обычно четыре разных уровня организации, которые мы здесь и опишем.

Первичная структура

Под первичной структурой белка понимают число и последовательность аминокислот, соединенных друг с другом пептидными связями в полипептидной цепи (рис. 5.31). Первые исследования по выяснению аминокислотной последовательности белков были выполнены в Кембриджском университете Ф. Сэнгером, дважды удостоенным за свои работы Нобелевской премии. Сэнгер работал с гормоном инсулином (рис. 5.32), и это был первый белок, для которого удалось выяснить аминокислотную последовательность. Работа заняла ровно 10 лет (1944-1954 гг.). В молекулу инсулина входит 51 аминокислота, а молекулярная масса этого белка равна 5733. Молекула состоит из двух полипептидных цепей, удерживаемых вместе дисульфидными мостиками.

Рис. 5.31. Часть полипептидной цепи, представленная с целью показать первичную структуру. А₁ А₂, А₃ и А₄ — различные аминокислоты

Рис. 5.32. Первичная структура (аминокислотная последовательность) инсулина. Молекула состоит из двух полипептидных цепей, удерживаемых вместе двумя дисульфидными мостиками

В настоящее время большая часть работ по определению аминокислотных последовательностей автоматизирована, и теперь первичная структура известна уже для нескольких сотен белков. На рис. 5.33 изображена первичная структура фермента лизоцима.

Рис. 5.33. Первичная структура лизоцима. Лизоцим — это фермент, обнаруженный во многих тканях и секретах человеческого тела, в растениях и яичном белке. Этот фермент катализирует разрушение клеточных стенок бактерий. Молекула лизоцима состоит из одной пол и пептидной цепи, в которую входит 129 аминокислотных остатков. В молекуле имеется четыре внутрицепочечных дисульфидных мостика

В организме человека свыше 10000 различных белков, и все они построены из одних и тех же 20 стандартных аминокислот. Аминокислотная последовательность белка определяет его биологическую функцию. В свою очередь эта аминокислотная последовательность однозначно определяется нуклеотидной последовательностью ДНК (разд. 22.6). Замена одной — единственной аминокислоты в молекулах данного белка может резко изменить его функцию, как это наблюдается, например, при так называемой серповидноклеточной анемии (разд. 23.9). Интересные данные могут быть получены в результате анализа аминокислотных последовательностей гомологичных белков, принадлежащих разным биологическим видам; такие данные позволяют судить о возможном таксономическом родстве между этими видами. Вопрос этот будет обсуждаться в гл. 24.

5.17. а) Напишите аминокислотные последовательности всех трипептидов, которые можно построить из двух разных аминокислот А и В.

б) Исходя из того, что у вас при этом получилось, составьте формулу для определения числа различных трипептидов, которые могут быть построены из двух разных аминокислот.

в) Сколько полипептидов длиной в 100 аминокислотных остатков можно построить из двух разных аминокислот?

г) Сколько полипептидов длиной в 100 аминокислотных остатков (а это сравнительно небольшой белок) можно построить из всех 20 стандартных аминокислот?

д) Сколько пептидов или полипептидов (заданной длины) можно построить из всех 20 стандартных аминокислот?

Вторичная структура

Для всякого белка характерна помимо первичной еще и определенная вторичная структура. Обычно белковая молекула напоминает растянутую пружину. Это так называемая α-спираль, стабилизируемая множеством водородных связей, возникающих между находящимися поблизости друг от друга СО- и NH-группами. Атом водорода NH-группы одной аминокислоты образует такую связь с атомом кислорода СО-группы другой аминокислоты, отстоящей от первой на четыре аминокислотных остатка (считая вдоль цепи назад) (рис. 5.34). Рентгеноструктурный анализ показывает, что на один виток спирали приходится 3,6 аминокислотного остатка.

Рис. 5.34. Структура α-спирали. А. Показаны α-атомы углерода. Соединяющая их линия описывает α-спираль. Б. Модель α-спирали из стержней и шариков. В. Часть α-спирали в растянутом виде. Спираль стабилизируется водородными связями

Полностью α-спиральную конформацию и, следовательно, фибриллярную структуру имеет белок кератин. Это структурный белок волос, шерсти, ногтей, когтей, клюва, перьев и рогов, входящий также в состав кожи позвоночных. Твердость и растяжимость кератина варьируют в зависимости от числа дисульфидных мостиков между соседними полипептидными цепями (от степени сшивки цепей).

Теоретически все СО- и NH-группы могут участвовать в образовании водородных связей, так что α-спираль — это очень устойчивая, а потому и весьма распространенная конформация. Тем не менее большинство белков существует в глобулярной форме, в которой имеются также участки β-слоя и участки с нерегулярной структурой. Объясняется это тем, что образованию водородных связей препятствуют наличие некоторых аминокислотных остатков в полипептидной цепи, наличие дисульфидных мостиков между различными участками одной и той же цепи и, наконец, тот факт, что аминокислота пролин вообще неспособна образовывать водородные связи.

β-Слой, или складчатый слой, — это другой тип вторичной структуры. Белок шелка фиброин, выделяемый шелкоотделительными железами гусениц шелкопряда при завивке коконов, представлен целиком именно этой формой. Фиброин состоит из ряда полипептидных цепей, вытянутых сильнее, чем цепи с конформацией α-спирали. Эти цепи уложены параллельно, но соседние цепи по своему направлению противоположны одна другой (антипараллельны). Они соединены друг с другом при помощи водородных связей, возникающих между С=O- и NH-группами одной цепи и NH- и С=O-группами соседних цепей. В этом случае в образовании водородных связей также принимают участие все NH- и С=О-группы, т. е. структура тоже весьма стабильна. Такая конформация полипептидных цепей называется (β-конформацией, а структура в целом — складчатым слоем (рис. 5.35). Фиброин обладает высокой прочностью на разрыв и не поддается растяжению, но подобная организация полипептидных цепей делает шелк очень гибким. В глобулярных белках полипептидная цепь может складываться на себя, и тогда в этих точках глобулы возникают участки, имеющие структуру складчатого слоя.

Рис. 5.35. Складчатый слой. Полипептидные цепи удерживаются рядом друг с другом при помощи водородных связей, образующихся между NH- и СО-группами. R-группы аминокислот располагаются над и под плоскостью этого складчатого слоя. А. Две антипараллельные полипептидные цепи. Б. Структура из трех полипептидных цепей изображена здесь так, чтобы показать складки между R-группами

Еще один способ организации полипептидных цепей мы находим у фибриллярного белка коллагена. Здесь три полипептидные цепи свиты вместе, образуя тройную спираль. В каждой полипептидной цепи этой сложной спирали, называемой тропоколлагеном (рис. 5.36), содержится около 1000 аминокислотных остатков. Такой белок тоже невозможно растянуть, и это его свойство существенно для той функции, которую он выполняет, например, в сухожилиях, костной и других видах соединительной ткани. Белки, существующие только в полностью спирализованной форме, подобно кератину или коллагену, представляют собой исключение среди прочих белков.

Рис. 5.36. Трехспиральная структура коллагена

Третичная структура

У большинства белков полипептидные цепи свернуты особым образом в компактную глобулу. Способ свертывания полипептидных цепей глобулярных белков называется третичной структурой. Третичная структура поддерживается уже обсуждавшимися выше связями трех типов — ионными, водородными и дисульфидными, а также гидрофобными взаимодействиями (рис. 5.37). В количественном отношении наиболее важны именно гидрофобные взаимодействия; белок при этом свертывается таким образом, чтобы его гидрофобные боковые цепи были скрыты внутри молекулы, т. е. защищены от соприкосновения с водой, а гидрофильные боковые цепи, наоборот, выставлены наружу.

Рис. 5.37. Связи, стабилизирующие вторичную и третичную структуру белков. Особенно важны для поддержания структуры гидрофобные взаимодействия (объединения неполярных молекул или отдельных частей молекул), позволяющие исключить молекулы воды, что очень существенно, например, для мембран, учитывая водное окружение клетки

Для определения третичной структуры белков можно использовать метод рентгеноструктурного анализа. К началу 1963 г. Кендрью и Перуц (Kendrew, Perutz) определили этим методом вторичную и третичную структуру миоглобина (рис. 5.38). Теперь для миоглобина были известны:

Рис. 5.38. А. Первичная структура миоглобина.

Рис. 5.38. Б. Рентгенограмма миоглобина (из мышц кашалота). Регулярное расположение пятен есть результат рассеяния (дифракции) падающего на фотопленку рентгеновского излучения вследствие его взаимодействия с атомами миоглобина в кристалле. Фотография — это двумерное сечение трехмерного расположения дифракционных пятен. По распределению и интенсивности дифракционных пятен определяют положение отдельных атомов в молекуле. (По J. С. Kendrew, Scientific American, December 1961.) В. Конформация миоглобина, установленная на основе рентгеноструктурного анализа с высоким разрешением. Г. Модель миоглобина

Первичная структура — молекула представляет собой одну полипептидную цепь, построенную из 153 аминокислотных остатков (их последовательность была установлена в начале 60-х годов);

Вторичная структура — около 75% цепи имеет α-спиральную конформацию (восемь спиральных участков);

Третичная структура — α-спираль свернута нерегулярным образом в компактную глобулу;

Простетическая группа — гемогруппа, или гем (содержит железо).

Сведения о функции миоглобина читатель найдет в гл. 14.

Четвертичная структура

Многие белки с особо сложным строением состоят из нескольких полипептидных цепей, удерживаемых в молекуле вместе за счет гидрофобных взаимодействий, а также при помощи водородных и ионных связей. Способ совместной упаковки и укладки этих полипептидных цепей называют четвертичной структурой белка. Четвертичная структура имеется, например, у гемоглобина. Его молекула состоит из четырех отдельных полипептидных цепей двух разных типов: из двух α-цепей и двух β-цепей. Две α-цепи содержат по 141 аминокислотному остатку, а две (β-цепи-по 146 остатков. Полную структуру гемоглобина определили Кендрью и Перуц (Kendrew, Perutz). В схематическом виде она представлена на рис. 5.39.

Рис. 5.39. Структура гемоглобина. Молекула состоит из четырех полипептидных цепей: двух α-цепей и двух β-цепей. С каждой цепью связана одна группа тема, к которой присоединяется молекула кислорода. Гемоглобин — пример белка, состоящего из отдельных субъединиц, т. е. обладающего четвертичной структурой

Некоторые вирусы, например вирус мозаики табака, имеют белковую оболочку, состоящую из многих полипептидных цепей, упакованных высокоупорядоченным образом (рис. 2.15).

Под денатурацией подразумевают утрату трехмерной конформации, присущей данной белковой молекуле. Это изменение может носить временный или постоянный характер, но и в том и в другом случае аминокислотная последовательность белка остается неизменной. При денатурации молекула развертывается и теряет способность выполнять свою обычную биологическую функцию. Вызывать денатурацию белков могут следующие разнообразные факторы.

Нагревание или воздействие каких-либо излучений, например инфракрасного или ультрафиолетового. Кинетическая энергия, сообщаемая белку, вызывает сильную вибрацию его атомов, вследствие чего слабые водородные и ионные связи разрываются. Белок свертывается (коагулирует).

Сильные кислоты, сильные щелочи и концентрированные растворы солей. Ионные связи разрываются, и белок коагулирует. Длительное воздействие реагента может вызвать разрыв и пептидных связей.

Тяжелые металлы. Катионы образуют прочные связи с карбоксил-анионами и часто вызывают разрывы ионных связей. Они также снижают электрическую поляризацию белка, уменьшая его растворимость. Вследствие этого находящийся в растворе белок выпадает в осадок.

Органические растворители и детергенты. Эти реагенты нарушают гидрофобные взаимодействия и образуют связи с гидрофобными (неполярными) группами. В результате разрываются и внутримолекулярные водородные связи. Использование спирта в качестве дезинфицирующего средства основано именно на том, что он вызывает денатурацию белка любых присутствующих бактерий.

Ренатурация

Иногда денатурированный белок в подходящих условиях вновь спонтанно приобретает свою нативную структуру. Этот процесс называется ренатурацией. Ренатурация убедительно показывает, что третичная структура белка полностью определяется его первичной структурой и что сборка биологических объектов может осуществляться на основе немногих общих принципов.

Нуклеиновые кислоты, подобно белкам, обладают первичной структурой (под которой подразумевается их нуклеотидная последовательность) и трехмерной структурой. Интерес к структуре ДНК усилился, когда в начале нашего века возникло предположение, что ДНК, возможно, представляет собой генетический материал. С данными, подтверждающими эту роль ДНК, мы познакомимся в гл. 22 (разд. 22.4).

В начале 50-х годов американский химик лауреат Нобелевской премии Лайнус Полинг (Linus Pouling), уже изучивший к тому времени α-спиральную структуру, характерную для многих фибриллярных белков, обратился к исследованию структуры ДНК, которая, по имеющимся в то время сведениям, также представлялась фибриллярной молекулой. Одновременно в Королевском колледже в Лондоне Морис Уилкинс и Розалинда Франклин (Maurice Wilkins, Rosalind Franklin) пытались решить ту же проблему методом рентгеноструктурного анализа. Их исследования требовали долгой и трудоемкой работы по приготовлению чистых препаратов солей ДНК, для которых удавалось получать сложные дифракционные картины. С помощью этих картин можно было, однако, выявить лишь общую структуру молекулы ДНК, не столь детализованную, как та, какую давали возможность получить чистые кристаллы белка (рис. 5.45).

Рис. 5.45. Рентгенограмма нити ДНК. По таким рентгенограммам было впервые сделано заключение о двуспиральной структуре ДНК. (С разрешения J. М. Squire.)

Тем временем Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик (James Watson, Francis Crick) в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета избрали иной подход, который в конечном счете и обеспечил успешное решение проблемы. Используя все химические и физические данные, какие оказались в их распоряжении, Уотсон и Крик стали строить пространственные модели ДНК в надежде на то, что рано или поздно им удастся получить достаточно убедительную структуру, согласующуюся со всеми такими данными. История этих поисков увлекательно описана Уотсоном в его книге "Двойная спираль". Два обстоятельства оказались для Уотсона и Крика решающими. Во-первых, они имели возможность регулярно знакомиться с результатами работ Уилкинса и, сопоставляя с его рентгенограммами свои модели, могли таким образом эти модели проверять. Рентгенограммы же Уилкинса убедительно свидетельствовали в пользу спиральной структуры (рис. 5.45) с периодичностью 0,34 нм вдоль оси. Во-вторых, Уотсон и Крик отдавали себе отчет в важном значении закономерностей, касающихся соотношения различных оснований в ДНК. Обнаружил эти закономерности и сообщил о них в 1951 г. Эрвин Чаргафф (Erwin Chargaff). Это открытие, однако, при всей своей важности как-то не привлекло к себе должного внимания. В табл. 5.14 мы приводим некоторые из данных Чаргаффа, дополнив их результатами более поздних исследований.

Таблица 5.14. Относительные количества оснований в ДНК разных организмов

5.18. Ознакомьтесь с таблицей. Какой вывод она позволяет сделать о соотношении различных оснований в молекулах ДНК?

Уотсон и Крик задались целью проверить предположение, что молекула ДНК состоит из двух спиральных полинуклеотидных цепей, удерживаемых вместе благодаря спариванию оснований, принадлежащих соседним цепям. Основания удерживаются вместе водородными связями.

5.19. Если эта модель верна, можно ли на основе данных Чаргаффа предсказать, какие основания должны соединяться друг с другом в пары?

На рис. 5.46 показано, как основания соединяются в пары с помощью водородных связей. Аденин спаривается с тимином, а гуанин — с цитозином; А-Т-пара соединяется двумя водородными связями, а Г-Ц-пара — тремя. Уотсон в свое время попытался представить себе именно такой порядок спаривания оснований и позже вспоминал об этом так: "От радости я почувствовал себя на седьмом небе, ибо тут я уловил возможный ответ на мучившую нас загадку: почему число остатков пуринов в точности равно числу остатков пиримидинов?" Уотсон увидел, что при таком сочетании основания оказываются очень точно подогнанными друг к другу и что общий размер и форма двух этих пар оснований одинаковы, так как обе пары содержат по три кольца (рис. 5.46). Водородные связи при других сочетаниях оснований в принципе возможны, но они гораздо слабее. После того как все эти обстоятельства выяснились, можно было наконец приступить к созданию достоверной модели ДНК, той, какая изображена на рис. 5.47-5.49.

Рис. 5.46. Спаривание оснований — аденина с тмином и гуанина с цитозином

Рис. 5.47. Схематическое изображение структуры ДНК. На один полный оборот спирали приходится 10 пар оснований (расстояние между соседними парами оснований равно 0,34 нм)

Рис. 5.48. ДНК (схематическое изображение развернутых цепей)

Рис. 5.49. Пространственная модель ДНК. Стрелки указывают направление антипараллельных сахарофосфатных остовов двух полипептидных цепей

Строение молекулы ДНК

Уотсон и Крик показали, что ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей. Каждая цепь закручена в спираль вправо, и обе они свиты вместе, т. е. закручены вправо вокруг одной и той же оси, образуя двойную спираль (рис. 5.47). Цепи антипараллельны, т. е. направлены в противоположные стороны, так что 3' — конец одной цепи располагается напротив 5' — конца другой (вспомните 3', 5' — фосфодиэфирные мостики). Каждая цепь состоит из сахарофосфатного остова, вдоль которого перпендикулярно длинной оси двойной спирали располагаются основания; находящиеся друг против друга основания двух противоположных цепей двойной спирали связаны между собой водородными связями (рис. 5.48). Сахарофосфатные остовы двух цепей двойной спирали хорошо видны на пространственной модели ДНК (рис. 5.49). Расстояние между сахарофосфатными остовами двух цепей постоянно и равно расстоянию, занимаемому парой оснований, т. е. одним пурином и одним пиримидином. Два пурина занимали бы слишком много места, а два пиримидина — слишком мало для того, чтобы заполнить промежуток между двумя цепями. Вдоль оси молекулы соседние пары оснований располагаются на расстоянии 0,34 нм одна от другой, чем и объясняется обнаруженная на рентгенограммах периодичность. Полный оборот спирали приходится на 3,4 нм, т. е. на 10 пар оснований. Никаких ограничений относительно последовательности нуклеотидов в одной цепи не существует, но в силу правила спаривания оснований эта последовательность в одной цепи определяет собой последовательность нуклеотидов в другой цепи. Поэтому мы говорим, что две цепи двойной спирали комплементарны друг другу.

Уотсон и Крик опубликовали сообщение о своей модели ДНК в журнале "Nature" в 1953 г., а в 1962 г. они вместе с Морисом Уилкинсом были удостоены за эту работу Нобелевской премии. В том же году получили Нобелевскую премию Кендрью и Перуц за свои работы по определению трехмерной структуры белков, также выполненные методом рентгеноструктурного анализа.

Для того чтобы признать предложенную структуру генетическим материалом, требовалось показать, что она способна: 1) нести в себе закодированную информацию и 2) точно воспроизводиться (реплицироваться). Уотсон и Крик отдавали себе отчет в том, что их модель удовлетворяет этим требованиям. В конце своей первой статьи они сдержанно отметили: "От нашего внимания не ускользнуло, что постулированное нами специфическое спаривание оснований сразу же позволяет постулировать и возможный механизм копирования для генетического материала". Во второй статье, опубликованной в том же 1953 г., они обсудили выводы, которые следовали из их модели в генетическом плане (о них мы будем говорить в гл. 22). Это открытие, показавшее, сколь явно структура может быть связана с функцией уже на молекулярном уровне, дало мощнейший толчок развитию молекулярной биологии.

Внимание! При всех описанных здесь анализах нагревание следует проводить на водяной бане при температуре кипения воды. Прямое нагревание пробирок на огне недопустимо.

Лакмусовая бумага

Пробирки

Штатив для пробирок

Бунзеновская горелка

Пипетки

Шпатель

Шприц (1 см³)

Раствор йода в йодистом калии

Реактив Бенедикта

Разбавленная серная кислота

Гидрокарбонат натрия (питьевая сода)

Судан III

Реактив Миллона

5%-ный раствор гидроксида калия

1%-ный раствор сульфата меди

Раствор дихлорфенолиндофенола (ДХФИФ)

1%-ный раствор крахмала (желательно из кукурузной муки)

1%-ный раствор глюкозы

2%-ный раствор сахарозы (следует использовать химически чистую сахарозу, не содержащую примеси какого-либо редуцирующего сахара)

Оливковое или кукурузное масло

Абсолютный спирт

Яичный альбумин

1%-ный раствор лактозы

1%-ный раствор фруктозы

Углеводы

Редуцирующие сахара. К редуцирующим сахарам относятся все моносахариды, например глюкоза и фруктоза, и некоторые дисахариды, например мальтоза. Используйте для анализа 0,1-1%-ные растворы Сахаров.

Реакция Бенедикта

Примечание. Смесь при нагревании обычно сильно "фыркает", так что нужно быть очень осторожным. Реакция полуколичественная, иначе говоря, она позволяет лишь грубо оценить количество редуцирующего сахара, присутствующего во взятой пробе. Окраска осадка переходит от зеленой к желтой, оранжевой и кирпично-красной с увеличением количества редуцирующего сахара. (Зеленый цвет есть результат смешения появившегося желтого осадка с синим раствором сульфата меди.)

Реакция Фелинга

Примечание. Реакция Фелинга не столь удобна, как реакция Бенедикта, потому что реактивы А и В приходится до анализа хранить раздельно. Чувствительность ее также ниже.

Нередуцирующие сахара. Наиболее распространенный из нередуцирующих Сахаров — это сахароза, относящаяся к дисахаридам. Если известно, что редуцирующие сахара в исследуемом растворе отсутствуют (т. е. если предыдущая реакция дала для этого раствора отрицательный результат), то появление кирпично-красного осадка в реакции, описанной ниже, свидетельствует о присутствии какого-то нередуцирующего сахара. Если же было показано, что в исследуемом растворе содержатся редуцирующие сахара, то в описанной ниже реакции будет получен более обильный осадок, нежели в предыдущей реакции при наличии в растворе также и какого-либо нередуцирующего сахара.

Нередуцирующие сахара

Крахмал. Растворим в воде очень слабо; образует в ней коллоидные суспензии. Анализ можно проводить как с суспензией, так и с сухим крахмалом.

Иодная реакция

Целлюлоза и лигнин. См. Приложение 2.4.2 (окрашивание).

Липиды

К липидам относятся масла (например, кукурузное и оливковое), жиры и воска.

Липиды

Белки

Для этих анализов очень подходит альбумин куриного яйца.

Белки

Витамин С (аскорбиновая кислота)

Данный метод можно при необходимости использовать для количественного определения. В этом случае указанные объемы следует отмерять очень точно. Подходящим источником витамина С может служить свежий апельсиновый или лимонный сок в смеси с дистиллированной водой (1:1). Можно использовать также имеющиеся в продаже таблетки витамина С.

Витамин С (аскорбиновая кислота)[20]

5.20. Как можно определить концентрацию аскорбиновой кислоты в полученной пробе?

5.21. Вам даны три раствора сахара: в одном содержится глюкоза, в другом — смесь глюкозы и сахарозы, в третьем — сахароза.

а) Как вы определите, какой сахар содержится в каждом из этих растворов?

б) Кратко опишите дальнейшие процедуры, с помощью которых можно подтвердить правильность вашего ответа (допустим, что в вашем распоряжении имеется нужный прибор и что время позволяет провести такие определения).

5.22. Как можно приготовить 100 мл 10%-ного раствора глюкозы?

5.23. В вашем распоряжении имеются в качестве исходных растворов 10%-ный раствор глюкозы и 2%-ный раствор сахарозы. Как можно приготовить из них 100 мл смеси с конечной концентрацией 1% сахарозы и 1% глюкозы?

Биохимику часто приходится выявлять присутствие тех или иных биомолекул в живых тканях или определять их количество (т. е. вести качественный или количественный анализ). Иногда эти определения можно выполнять непосредственно на самой ткани, но нередко им должен предшествовать тот или иной процесс экстракции или очистки.

Полезно потренироваться на каких-нибудь обычных пищевых продуктах или растительном материале, определяя в них те биомолекулы, о которых шла речь в опыте 5.1. Там, где это возможно, мы предлагаем процедуру экстрагирования, которая позволит использовать для анализа чистый бесцветный раствор. Усвоив смысл таких процедур, студент сможет затем при необходимости сам предложить аналогичные методики.

Все, что перечислено в опыте 5.1 (от начала и до раствора ДХФИФ)

Ступка с пестиком

Микроскоп

Предметные и покровные стекла

Лезвие бритвы

Часовое стекло

Раствор Шульца

Флороглюцин + концентрированная соляная кислота

Клубень картофеля

Яблоко

Вата

Одревесневший стебель

Семена/орехи

Намоченный горох

Бобы

Микроскопическое исследование тонких срезов ткани

Метод пригоден для знакомства с теми отложениями запасных веществ, которые можно видеть под микроскопом, например с крахмальными зернами в клубне картофеля.

Микроскопическое исследование срезов с соответствующим окрашиванием или какой-либо иной химической обработкой

Пригодно для выявления перечисленных ниже веществ.

Редуцирующие сахара. Поместить срез в несколько капель реактива Бенедикта и осторожно нагреть до кипения; при необходимости добавить воды, чтобы предотвратить высыхание.

Крахмал. Поместить в разбавленный раствор 12/КΙ.

Белок. Поместить срез в несколько капель реактива Миллона и осторожно нагреть до кипения; при необходимости добавить воды, чтобы предотвратить высыхание.

Масла и жиры. Окрасить исследуемый материал, например семена, Суданом III, после чего промыть водой и (или) 70%-ным спиртом. Приготовить срезы и заключить в среду.

Целлюлоза, лигнин и т. п. Об окрашивании см. Приложение 2.4.2.

Исследование прозрачных водных растворов

Обесцветить ткань, если в этом есть необходимость. Присутствующие в ткани пигменты могут мешать цветным реакциям, но обычно эти пигменты легко удалить из ткани органическими растворителями, например 80%-ным этанолом или 80%-ным пропаном (Беречь от соприкосновения с открытым огнем!). Следует, однако, помнить, что эти растворители могут удалять из ткани липиды и растворимые сахара.

Способ пригоден для извлечения хлорофилла из листьев.

Гомогенизация материала. Сахара и белки. Кусочки предназначенного для исследования материала растереть в кашицу с небольшим количеством воды при помощи ступки или миксера. Растертый материал процедить через несколько слоев тонкой кисеи или нейлона, предварительно смоченных водой, и (или) отфильтровать либо отцентрифугировать для удаления твердых частиц. Это может и не потребоваться, если суспензия окажется высокодисперсной и практически бесцветной. Прозрачный раствор анализируют, как обычно, а если нужно, приготовляют из него соответствующие разведения. Твердый осадок, если он представляет интерес, также может быть подвергнут анализу.

Липиды. Растереть материал, перенести в пробирку и вскипятить. Липиды отделяются в виде капелек масла. Провести окрашивание Суданом III. Можно вместо этого приготовить эмульсию из тонко наструганного ядра ореха или других пищевых продуктов (которые могут быть и окрашенными) и провести эмульсионную пробу.

Описанная методика пригодна для выявления в различных материалах указанных ниже веществ: Фрукты (например, яблоки (витамин С, сахара) или апельсины)

Орехи (масла)

Семена клещевины (масло)

Семена гороха (белок)

Семена сосны (белок, масло)

Картофель (крахмал, витамин С)

Яйца (белок)

Исследуемые материалы можно подразделить на фракции и затем каждую такую фракцию, например семена, мякоть плодов, кожуру или сок, исследовать по отдельности.