12.2.2. Аминокислоты

Важнейшим для биохимии соединением является аминокис­лота. Аминокислоты — это такие органические соединения, которые служат основным элементом построения растительных и животных белков и поэтому играют особую роль в жизни ор­ганизмов, участвуя в обмене азотсодержащих веществ. Свобод­ные аминокислоты, содержат карбоксильную группу (—СООН) и аминогруппу (—NH₂), присоединенные к одному атому угле­рода С:

Н

, I

Н — N — С — С — О — Н I I II н н О

Они обладают свойствами и кислот, и оснований. Напомним, что кислоты — химические соединения, характеризующиеся диссоциацией в водном растворе с образованием ионов водорода Н⁺, а основания — диссоциацией с образованием иона ОН~. За­мена атома водорода в кислоте металлами образует соли, а рас­творимые в воде основания являются щелочами.

Природных аминокислот свыше 170, однако только 20 из них служат мономерными звеньями цепей, из которых построены полимерные молекулы всех белков. Образующиеся при удалении атома водорода от аминокислоты, аминокислотные остатки со­единяются с ней пептидной связью ( —СО—NH— ), которая со­единяет аминогруппу одной кислоты (или остатка) с карбок­сильной группой другой. Полипептидная цепь образуется в ре­зультате повторения актов пептидной связи. На одном конце этой цепочки (N-конце) свободная NH₂ группа, на другом (С-конце) — СООН карбоксильная группа.

Поэтому аминокислотные остатки являются полимерами по­липептидов. Если заменить хотя бы один атом или одну амино­кислоту в полипептиде, то возникает новая молекула с другими свойствами и структурой. Каждый остаток имеет постоянную часть и вариабельные концевые или боковые части, через кото­рые осуществляется пептидная связь таким образом, что форми­руется непрерывная основная цепь белковой молекулы. Каждая аминокислота определяется отрицательным логарифмом кон­центрации Н⁺, характеризующим кислотность рН, при котором аминокислота электрически нейтральна. При увеличении рН водного раствора аминокислоты выступают как доноры положи­тельных ионов водорода Н⁺, а при уменьшении — как их акцеп­торы. Химические связи в цепях полипептида могут иметь раз­ный характер. Между положительно и отрицательно заряженны­ми боковыми группами аминокислот или их остатками возникает ионная связь, могут образоваться также водородные и ковалент- ные связи, что и определяет многофункциональность и значение аминокислот при построении белков живого организма. Амино­кислоты входят также в состав других макромолекул — нукле­иновых кислот.

12.2.3. Теория химической эволюции в биогенезе

. Проблема самоорганизации сложных макромолекулярных структур имеет общие корни с проблемой самосборки белков живых организмов: за очень короткое время полимерная цепоч­ка из определенных аминокислотных звеньев точно складывает­ся в определенную молекулярную конструкцию, формируя именно данный конкретный белок. Таким образом, процессы химической самоорганизации органических молекул играют важнейшую роль в предбиологической эволюции живых орга­низмов. В настоящее время в химических науках сформирова­лось новое направление — эволюционная химия — наука о са­моорганизации и саморазвитии химических систем, в основе ко­торой лежат представления о решающей роли катализа при переходе от химических систем к биологическим.

В 1964 г. А. П. Руденко (1925—2004) была предложена теория химической эволюции и биогенеза, где было показано, что эво­люционирующими элементами в развитии предбиологических химических систем являются те структуры и органические соеди­нения, которые усиливали активность и селективность действия катализаторов. Таким образом, и на этой стадии эволюции при­роды происходил отбор наиболее нужных ей веществ для- созда­ния живых организмов. Самопроизвольная автокаталитическая реакция в природе «служит» делу эволюции, является как бы «орудием» отбора наиболее прогрессивных эволюционных изме­нений катализаторов. В этом смысле биокатализ с участием фермен­тов связан с проблемами биогенеза и происхождения жизни [162].

В биологии роль таких катализаторов выполняют специфиче­ские белковые протеины — ферменты. Эти макромолекулы фер­ментов обладают такой пространственной конфигурацией, кото­рая дает возможность изменить скорость реакции. Молекулы ве­ществ, участвующих в реакциях, стремятся присоединиться к активным участкам молекул фермента, повышая вероятность их столкновения и, следовательно, начала химической реакции. Са­моуправлением в химических процессах как раз и занимается ав­токаталитическая реакция: продукт этой реакции начинает уп­равлять ее скоростью и даже самой возможностью протекания.