Volume1

Глава 2. Химия клетки и биосинтез 89

Рис. 2.20. Одиннадцать дисахаридов, состоящих из двух мономеров D-глюкозы. Отличаясь лишь типомсвязимеждудвумязвеньямиглюкозы,этидисахаридыхимическиразличны.Таккаколигосахариды, связанные с белками и липидами, могут иметь шесть и более различных сахаров, соединенных как в линейном порядке, так и в разветвленном положении посредством гликозидных связей, таких, как показаны здесь, число различных типов олигосахаридов, которые могут использоваться клеткой, чрезвычайновелико.Объяснениеразличиймеждуα-иβ-связямидановприложении2.4(стр.178–179). Короткие черные линии, которые выглядят как «тупиковые», указывают положения групп –ОН. (Красные линии показывают лишь ориентации дисахаридных связей и «углы» не подразумевают наличия дополнительныхатомов.)

на особенностях строения сахаров на поверхности клеток, легли в основу классификации четырех основных групп крови человека, названных A, B, AB и O.

2.1.12.  Жирные кислоты – компоненты клеточных мембран, а также источники энергии

Молекула жирной кислоты, такой как пальмитиновая кислота, имеет две химически различные области (рис. 2.21). Одна из них — длинная углеводородная цепь, которая является гидрофобной и не очень активна химически. Вторая — карбоксильная группа (–COOH), которая проявляет кислотные свойства (карбоновой кислоты): она ионизируется в растворе (–СОО–), чрезвычайно гидрофильна и химически активна. В клетке почти все молекулы жирных кислот своими карбоксильными группами ковалентно связаны с другими молекулами.

90 Часть 1. Введение в мир клетки

Рис. 2.21. Жирная кислота. Жирная кислота состоит из гидрофобной углеводородной цепи, к которой присоединена гидрофильная карбоксильная группа. Здесь показана пальмитиновая кислота. Различные жирныекислотыимеютразныеуглеводородныехвосты. а) Структурная формула. Карбоксильная группа показанавионизированнойформе.б)Шаростержневаямодель.в)Полусферическая(объемная)модель.

Углеводородный хвост пальмитиновой

кислоты насыщен: он не имеет двойных свя-

зей между атомами углерода и содержит максимально возможное число атомов водорода. Стеариновая кислота — еще один

представитель обычных жирных кислот

в животном жире — также насыщенна. Не-

которые другие жирные кислоты, такие как олеиновая кислота, имеют ненасыщенные хвосты с одной и более двойными связями,

рассредоточенными по длине. Двойные связи

создают в молекулах перегибы, нарушающие

их способность формировать плотную упаковку. Именно этим и объясняется различие между твердым маргарином (насыщенным)

и жидкими растительными маслами (поли-

ненасыщенными). Множество различных жирных кислот, присутствующих в клетках, различаются длиной своих углеводородных цепей, а также числом и положением

углерод-углеродных­ двойных связей (см. приложение 2.5, стр. 180–181).

Жирные кислоты запасаются в цитоплазме многих клеток в форме капелек из молекул триацилглицерина (часто называют триглицеридами), которые состоят из трех цепей жирных кислот, присоединенных к молекуле глицерина (см. приложение 2.5); из таких молекул и состоят животные жиры, присутствующие

вмясе, масле и сливках, и растительные масла — такие как кукурузное и оливковое. Когда клетке требуется энергия, цепи жирных кислот высвобождаются из триацилглицеринов и расщепляются до двууглеродных структурных единиц. Эти двууглеродные звенья тождественны субъединицам, получаемым при расщеплении глюкозы, и они вступают в те же протекающие с выделением энергии реакции, что будут описаны позже в этой главе. Триглицериды служат концентрированным запасом пищи в клетках, потому что они могут быть расщеплены с получением приблизительно в шесть раз большего количества полезной энергии, чем можно получить из того же количества (по массе) глюкозы.

Жирные кислоты и их производные типа триацилглицеринов являют нам примеры липидов. В число липидов входит получившая расплывчатое определение группа биологических молекул, которые нерастворимы в воде, но растворимы

вжире и органических растворителях типа бензола8. Они, как правило, содержат

8 В таком определении вместо четкой химической характеристики класса говорится о физических свойствах липидов. На сегодня принято следующее определение липидов: «Липиды – это

Глава 2. Химия клетки и биосинтез 91

либо длинные углеводородные цепи, как в жирных кислотах и терпенах, либо многочисленные связанные кольца-циклы­ , как в стероидах.

Наиболее важная функция жирных кислот в клетках состоит в построении клеточных мембран. Эти тонкие покровы (оболочки) окружают все клетки и ограждают их внутренние органеллы. Они состоят в основном из фосфолипидов, которые представляют собой маленькие молекулы, которые, подобно триацилглицеринам, построены главным образом из жирных кислот и глицерина. Однако в фосфолипидах к глицерину присоединены две цепи жирных кислот, а не три, как в триацилглицеринах. «Третий» участок на глицерине занимает гидрофильная фосфатная группа, которая, в свою очередь, присоединена к маленькому гидрофильному соединению, такому как холин (см. приложение 2.5). Поэтому каждая молекула фосфолипида состоит из гидрофобного хвоста двух цепей жирных кислот и гидрофильной фосфатной головки. Это придает фосфолипидам характерные физические и химические свойства, отличающие их от более гидрофобных триацилглицеринов. Такие молекулы как фосфолипиды, имеющие и гидрофобные и гидрофильные области,

называют амфифильными.

Присущее фосфолипидам свойство образовывать мембраны обусловлено их амфифильной природой. Фосфолипиды растекаются по поверхности воды и образуют одинарный слой фосфолипидных молекул, в котором гидрофобные хвосты обращены к воздуху, а гидрофильные головки погружены в воду. Два таких молекулярных слоя могут легко объединиться в воде по принципу хвост-к-хвосту и образовать фосфолипидный «сэндвич», или липидный бислой. Такой бислой является структурной основой всех клеточных мембран (рис. 2.22).

Рис. 2.22. Структура фосфолипида и ориентация в мембранах. В водной среде гидрофобные хвосты фосфолипидов собираются вместе, чтобы исключить воду. Здесь они сформировали двойной слой таким образом, что гидрофильная головка каждого фосфолипида обращена к воде. Двойные липидные слои—основаклеточныхмембран,очеммыподробнопоговоримвглаве10.

найденные в природе жирные кислоты, их производные и продукты метаболических превращений с преимущественным сохранением углеродного скелета.» В такой формулировке встает вопрос о принадлежности терпенов и стероидов к липидам. — Прим. ред.

94 Часть 1. Введение в мир клетки

Рис.2.25.ЗарядбоковыхцепейаминокислотзависитотpH.Показанопятьразличныхбоковыхцепей,

которыемогутнестизаряд.КарбоновыекислотымогутлегкопотерятьH+ вводномраствореиобразовать отрицательно заряженный ион, который обозначают суффиксом «ат», как например, в названиях аспартат или глутамат. Схожая ситуация имеет место у аминов, которые в водном растворе могут принять H+ и образовать положительно заряженный ион (который не имеет специального названия). Этиреакциибыстрообратимы,иколичествадвухвозможныхформ—заряженнойинезаряженной— зависят от pH раствора. При высоком pH карбоновые кислоты имеют тенденцию быть заряженными ,

аамины — незаряженными. Принизком pH происходит обратное: карбоновыекислоты незаряжены,

ааминызаряжены.ЗначениеpH,прикоторомровнополовинаостатковкарбоновыхкислотилиаминов заряжена,известнокакpKбоковойцепиаминокислоты(обозначеножелтойполосой).

ВклеткеpHблизкок7,такчтопочтивсекарбоновыекислотыиаминызаряжены.

фосфат переносится на другие молекулы и высвобождается энергия, которая идет на энергопотребляющие реакции биосинтеза (рис. 2.27). Другие нуклеотидные производные служат носителями для переноса других химических групп, как будет описано позже.

Однако самая наиважнейшая роль нуклеотидов в клетке — это хранение и извлечение биологической информации. Нуклеотиды служат как бы строительными

Глава 2. Химия клетки и биосинтез 95

Рис. 2.26. Химическая структура аденозинтрифосфата (ATP). а) Структурная формула. б) Полусфери-

ческая (объемная) модель. В модели б цвета атомов следующие: C — черный; N — синий; H — белый;

O—красный;P — желтый.

Рис. 2.27. Молекула ATP служит переносчиком (и носителем) энергии в клетках. «Энергопотребляю-

щая» реакция образования ATP из ADP (аденозиндифосфата) и неорганического фосфата сопряжена с «энерговыделяющим» окислением пищевых продуктов (в клетках животных, грибов и некоторых бактерий)илиспоглощениемсветовойэнергии(вклеткахрастенийинекоторыхбактерий).Гидролизже ATPобратнонаADPинеорганическийфосфат,всвоюочередь,обеспечиваетэнергиеймногиереакции, протекающиевклетке.

блоками для построения нуклеиновых кислот — длинных полимеров, в которых нуклеотидные субъединицы ковалентно связаны друг с другом фoсфодиэфирными связями, образующимися между фосфатной группой одного нуклеотида и гидроксильной группой cахара следующего нуклеотида (рис. 2.28). Цепи нуклеиновых кислот синтезируются из богатых энергией нуклеозидтрифосфатов путем реакции конденсации, в ходе которой при образовании фосфодиэфирной связи высвобождается неорганический пирофосфат.