Глава 1. Биологические макромолекулы
Жизнедеятельность клетки обеспечивается непрерывными сложными последовательными химическими реакциями, благодаря которым клетка растет, делится, движется и сообщается с другими клетками. Совокупность этих реакций называется метаболизмом или обменом веществ. Клетки поглощают извне низкомолекулярные вещества и из них, как из кирпичиков, строят крупные высокомолекулярные соединения, которые в свою очередь расщепляются в процессе жизнедеятельности, обеспечивая образование других химических «строительных блоков». Таким образом, в клетке всегда имеются «строительные блоки», мономеры, которые клетка берет извне или производит сама, синтезируя из них макромолекулы или биополимеры. Процесс синтеза высокомолекулярных соединений биополимеров, состоящих из повторяющихся частей мономеров называ- ется полимеризация. Одни макромолекулы состоят из нескольких мономеров (олигомеры), другие из сотен тысяч и даже миллионов (молекула ДНК Е.соli содержит 4·106 пар нуклеотидов, молекула крахмала – свыше миллиона моносахаров). Молекулы биополимеров представляют собой:
1 - линейные цепочки;
2 - разветвленные цепи;
3 - спирализованные жесткие цилиндрические структуры, стабили- зированные большим числом вторичных слабых связей;
4 - могут иметь сложную и нерегулярную конформацию;
5 - прилегая друг к другу, цепи полимеров могут образовывать сетчатые структуры, волокна, мембраны, связанные сильными ковалентными связями (коллаген) либо более слабыми вторичными связями.
К химическим «строительным блокам» относят 20 с лишним аминокислот, несколько видов сахаров, уксусную кислоту, несколько видов жирных кислот, глицерин, 2 пуриновых, 2 пиримидиновых основания, фосфорную кислоту, неорганические ионы: Na+, К+, Са2+, Мg2+, Fе+, Zn+, Сl- и др.
Эти малые молекулы связываются несколькими типами химических связей, что обеспечивает целостность и устойчивость макромолекул. Ковалентная связь осуществляется путем обобществления электронов, связываемых атомом и характеризуется наибольшей электрон- ной плотностью между связывающимися атомами, поэтому энергия связи велика (400 кДж•моль-1).
В образовании макромолекул также участвуют вторичные, более слабые связи (рис.1): водородные, дисульфидные, гидрофобные и ионные (табл.1).
Водородные связи возникают между электроотрицательными атомами (азота, фтора, кислорода) и атомом водорода; по своей природе являются электростатическими. Энергия их невелика (15-40кДЖ·мольˉ¹), но за счет их большого количества обеспечивается кооперативный эффект действия, то есть суммарный эффект их совместного действия значительно выше суммы эффектов действия водородных связей порознь.
Дисульфидная связь (S-S-связь) является разновидностью ковален- тной связи и образуется между цистеиновыми остатками, содержащими группу -SH- одной и той же или разных белковых цепей. S-S-связь обусловливает изменение направления полипептидной цепия, соединяя ее отдельные участки. Наличие S-S-связи делает структуру белка более стабильной к воздействию температуры и кислотности среды.
Рис. 1. Типы связей пространственной структуры белка
Таблица 1