Слесарев. Основы Химии живого

СН2ОН

галактоцереброзиды (R - углеводородный радикал)

Гликолипиды впервые были выделены из серого вещества мозга. Они входят в состав миелиновой оболочйи нервных воло­ кон, регулируют рост клеток, являются маркерами трансформа­ ции нормальных клеток в раковые, взаимодействуют с белковы­ ми токсинами и выполняют ряд других важнейших функций.

Молекулы всех рассмотренных омыляемых сложных липи­ дов анизометричны не только из-за вытянутой палочкообразной формы, но и потому, что они дифильны. Поэтому данные со­ единения могут находиться в жидкокристаллическом состоянии благодаря термотропии и лиотропии (разд. 3.2.3), что расширяет многообразие их биологических и физиологических функций. Именно этим объясняются и жидкокристаллические свойства, характерные для клеточных биомембран (разд. 27.7.1).

20.3. НЕОМЫЛЯЕМЫЕ ЛИПИДЫ - НИЗКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ БИОРЕГУЛЯТОРЫ

Стероиды. К стероидам относится обширный класс природ­ ных веществ, в основе которых лежит конденсированный четы­ рехциклический остов, называемый стераном.

Стероиды обычно имеют СНз-группы у С-10 и С-13, углеводородный заместитель у С-17 и кислородсодержащие функциональные группы (спиртовые, сложноэфирные, кетонные), также

связанные с остовом. Стероиды относят к группе изопреноидов, они синтезируются в растениях. Животные получают стероиды с растительной и молочной пищей. Полициклический остов сте роидов относительно жесткий, и для него не характерны кон формационные превращения. Поэтому в них различают распо ложение заместителей относительно плоскости остова: а-располо жение - под плоскостью, а р-расположение - над плоскостью.

Поскольку молекулы стероидов имеют анизометрическую дис кообразную форму, то они могут образовывать жидкокрисгалли ческое состояние вследствие как термотропии, так и лиотропии. Особенностью жидкокристаллического состояния этих сведши» ний в расплаве является то, что их надмолекулярные обрпзона ния могут иметь спиралевидную структуру, называемую холосто рической мезофазой, поскольку впервые она была установлена для производных холестерина.

К стероидам относятся многочисленные вещества гормо­ нальной природы. Среди них наиболее распространенным явля­ ется холестерин. Холестерин - одноатомный спирт, поэтому его

521

также называют холестеролом; он проявляет свойства вторич­ ного спирта и алкена. В организме 30 % холестерина содержит­ ся в свободном состоянии, 70 % - в виде сложных эфиров с высшими карбоновыми кислотами, как насыщенными (пальми­ тиновой и стеариновой), так и ненасыщенными (линолевой, арахидоновой и др.)> т. е. в виде ацилхолестеринов.

Общее содержание холестерина в организме составляет 210250 г. В больших количествах он содержится в головном и спин­ ном мозге, является компонентом клеточных мембран. Транспор­ тируется холестерин с помощью липопротеинов (разд. 21.4). Прц этом в липопротеинах высокой плотности происходит его ацилирование высшими карбоновыми кислотами. Отложение холесте­ рина на стенках сосудов приводит к атеросклерозу, а в желч­ ном пузыре - к образованию желчных камней.

Холестерин играет важную роль, так как из него в организме синтезируются многие биологически активные соединения. В пе­ чени из холестерина образуются необходимые для пищеварения желчные кислоты: холевая и 7-дезоксихолевая:

ОН СН— (СН2)2— СООН

Холевая кислота в организме, образуя амиды по карбониль­ ной группе с глицином и таурином, превращается в глицинхолевую и таурохолевую кислоты:

СНз п

NH

(СН2)2

so8H

522

Во всех желчных кислотах полярные группы располагаются по одну сторону плоскости остова, делая ее гидрофильной, тогда как противоположная сторона - липофильная. Поэтому анионы этих кислот, особенно таурохолевой и глицинхолевой, являются эффективными поверхностно-активными веществами (разд. 27.3). Эмульгируя жиры, они способствуют их всасыванию и перевари­ ванию. Желчные кислоты используют в качестве лекарственных препаратов, предотвращающих образование желчных камней, состоящих из холестерина, и растворяющих их.

Холестерин - предшественник всех стероидных гормонов, включая мужские и женские половые гормоны, а также корти­ костероиды - гормоны коры надпочечников.

Главными мужскими половыми гормонами являются андростерон и более активный тестостерон.

Тестостерон в дополнение к действию на половую систему об­ ладает значительным анаболическим (тканеобразующим) эффек­ том, обуславливая характерную мужскую мускулатуру. Препа­ раты, имеющие структуру, подобную тестостерону, например 19-нортестерон (приставка «нор» означает, что нет С-19 металь­ ной группы), используются культуристами и тяжелоатлетами для наращивания мышечной массы, так как они интенсифицируют синтез белков. В то же время надо знать, что 19-нортестерон подавляет продуцирование спермы у мужчин.

Женская половая система контролируется двумя типами гор­ монов: это эстрадиол, контролирующий менструальный цикл у женщин, и прогестерон, способствующий наступлению и со­ хранению беременности.

Пероральные женские контрацептивы, которые препятст­ вуют овуляции, например местранол, имеют структуру, подоб­ ную женским гормонам.

Кортикостероиды (всего их около 40) образуются в коре над­ почечников и регулируют углеводный и солевой обмен. Приме­

523

ром может служить кортпикостерон, который действует как антагонист инсулина, повышая содержание глюкозы в крови. Другой пример - синтетический кортикостероид преднизолон, используемый как лекарственный препарат для лечения ревма­ тизма, бронхиальной астмы и воспалительных процессов кожи.

сн2он

с=о -он

преднизолон

Жирорастворимые витамины. Витаминами называют низко­ молекулярные органические вещества, наличие которых в незна­ чительных количествах необходимо для нормальной жизнедея­ тельности организма. Роль витаминов заключается в том, что они являются составной частью многих ферментов, а иногда - гормо­ нов. Витамины делят на две большие группы - водорастворимые и жирорастворимые. Рассмотрение жирорастворимых витаминов начнем с витаминов группы D, которые образуются из стероидов.

В и т а м и н ы г р у п п ы D образуются в коже млекопитаю­ щих из эргостерона и холестерина, в которых под действием солнечного света разрывается связь между атомами С-9 и С-10 кольца В. Наиболее распространены эргокальциферол (витамин D2) и холекальциферол (витамин D3 ):

СНз СНз СНз СНз СНз

Витамины D малостабильны и быстро разрушаются под дей­ ствием света, окислителей и минеральных кислот.

Основное количество витаминов D, необходимое человеку, об­ разуется в коже под действием света. При недостаточном образо­ вании витаминов D, особенно в осенне-зимний период, их запасы должны пополняться за счет питания. Источником витаминов D являются рыбий жир, сливочное масло, молоко, желток яйца и пе­ чень животных. Витамины D регулируют обмен фосфора и каль­ ция в организме, содействуют всасыванию соответствующих ионов кишечником и формированию костной ткани. При D-авитаминозе развивается рахит, остеопороз и другие болезни костной ткани.

В и т а м и н ы г р у п п ы А являются факторами роста. Их недостаток в организме вызывает ослабление зрения, торможе­

524

ние роста, общее истощение и понижение сопротивляемости ор­ ганизма инфекции. Наиболее распространенным считается вита­ мин Ai, который также называется ретинолом. Источником ви­ тамина А* для человека являются рыбий жир, печень рыб, птиц

иживотных, желток яйца, сливочное масло, плоды с оранжевой

икрасной мякотью (морковь, томаты, перец), а также зелень.

СНз

витамин Ai (ретинол)

н3с

СНз

(3-каротин

В овощах, фруктах, зелени витамин Аг содержится в виде про­ витамина р-каротина. Молекула Р-каротина в кишечной стенке человека и животных, окисляясь кислородом по двойной межуглеродной связи 15-15', распадается с образованием двух молекул витамина Ax. Каротин и витамин Аг являются изопреноидами.

Витамины группы А хорошо растворимы в липофильной час­ ти тканей. Они проявляют восстановительные свойства за счет атомов углерода сопряженных двойных связей, выступая анти­ оксидантами, ограничивающими свободнорадикальное окисление в тканях (разд. 9.3.9), и тем самым предотвращают дегенера­ тивные процессы в них.

В и т а м и н ы г р у п п ы Е, так называемые а-, Р- и у-токо- феролы, - полиалкильные производные гидрохинона. Благодаря наличию в их молекулах алкильных группировок, витамины Е растворяются в жирах, а за счет гидрохинонового фрагмента выступают восстановителями. Токоферолы - одни из самых силь­ ных природных антиоксидантов. Реагируя с активными форма­ ми кислорода и окисляясь в соответствующие хиноны, они об­ рывают цепи окисления.

СНз СНз

а-токоферол (витамин Б)

R - ~(СН2СН2СНСН2)2СН2СН2С(СНз)з

С Н з

525

Недостаток витаминов Е в организме приводит к наруше­ нию развития плода в организме матери, а также к развитию мышечной дистрофии, дегенерации спинного мозга, к парали­ чу конечностей, т. е. к общему заболеванию организма. В то же время витамины Е, функционируя как структурные ком­ поненты биомембран, стабилизируют и защищают их от окис­ ления.

Источником витаминов Е для человека являются расти­ тельное масло, салат, капуста, зерновые продукты. Таким обра­ зом, жирорастворимые витамины А и Е, выступая восстанови­ телями, защищают липофильные фрагменты тканей от актив­ ных форм кислорода и свободных радикалов.

Ви т а мины г руппы К - производные 2-метил-1,4-на- фтохинона, имеющие в положении 3 заместитель R, который у витамина Кх растений является насыщенным слегка разветвлен­ ным углеводородным радикалом, содержащим 2 0 углеродных атомов. У витамина К2 животных и бактерий заместитель R - ненасыщенный слегка разветвленный углеводородный радикал, содержащий от 30 до 45 углеродных атомов и несущий соответ­ ственно от 6 до 9 двойных связей.

Витамины К, являясь окислителями, способствуют мягкому окислению биосубстратов и способны связывать возникающие в клетках активные радикальные частицы:

Витамины К способствуют обеспечению нормальной свер­ тываемости крови и положительно влияют на состояние эндотолиольной оболочки кровеносных сосудов. Полагают, что ви­ тамины К принимают участие в синтезе протромбина и ряда других белковых факторов, необходимых для свертывания кро­ ви. В лечебной практике используется синтетический аналог витамина К - викасол, повышающий способность крови к свер­ тыванию.

В и т а м и н ы г р у п п ы ( } ( у б и х и н о н ы ) . Эти жирорас­ творимые витамины близки по строению к витаминам К, так как являются производными 2 -метил-бензохинона, содержащи­ ми слегка разветвленный ненасыщенный углеводородный за­ меститель R с 30-50 углеродными атомами, несущий от 6 до 10 двойных связей.

526

В организме убихиноны могут легко и обратимо восстанавли­ ваться в убигидрохиноны, о чем свидетельствует значение нор­ мального восстановительного потенциала, близкое к 0 (разд. 9.2 и 9.3.3). Следовательно, убихиноны способны и окислять, и вос­ станавливать биосубстраты, а также связывать возникающие в клетках активные радикальные частицы.

Источником витаминов Q являются растительные и живот­ ные ткани, в которых интенсивно протекают окислительно-вос- становительные процессы, например сердечная мышца, печень, бурая жировая ткань животных, впадающих в зимнюю спячку.

Все рассмотренные жирорастворимые витамины содержат длинные углеводородные цепи или, как в витаминах D, цепи замкнуты в циклы. Эти неомыляемые липиды, как и стероиды, относят к изопреноидам, т. е. терпенам.

Простаглавдины. Эти соединения впервые были обнаружены в семенной жидкости баранов и получили свое название как про­ дукты предстательной железы (простаты). В организмах простагландины образуются в результате мягкого окисления арахидоновой или других полиеновых жирных кислот:

арахидоновая кислота

В настоящее время известно свыше 30 простагландинов, сходных по строению с простагландином Е2, в молекулах которых есть раз­ ные кислородсодержащие группы. Концентрация простагландинов в тканях чрезвычайно мала (1 0 ~ 9 -s- 1 0 - 6 моль/л), они крайне нестойки. Простагландины обладают широким спектром биологической актив­ ности и присутствуют почти во всех тканях организма. В частности, они вызывают болевые ощущения, а действие анальгина, ослабляю­ щее боль, связано с тем, что он подавляет биосинтез простагланди­ нов. Простагландины расширяют кровеносные сосуды, стимулируют работу кишечника, печени, легких, влияют на процессы нервного возбуждения и на половой цикл у женщин. Их используют для ле­ чения сердечно-сосудистых заболеваний, облегчения родов, предот­ вращения и прерывания беременности. Считается, что простагланди­ ны способны изменять активность гормон-рецепторных ассоциатов.

Глава 21

АМИНОКИСЛОТЫ, ПЕПТИДЫ И БЕЛКИ

После изучения этой главы вы должны знать:

-строение, прототропную таутомерию, классификацию а-амино- кислот;

-кислотно-основные, комплексообразующие, электрофильно-ну- клеофильные и окислительно-восстановительные свойства а-амино- кислот;

-строение, структуру и свойства пептидов;

-строение, структуру, свойства белков и их водных растворов.

Аминокислоты - органические соединения, содержащие два ти­ па функциональных групп с противоположными свойствами: ами­ ногруппу (—NH2 ) и карбоксильную группу (—СООН). Они играют исключительно важную роль в жизни животных и растительных организмов. Замечательным свойством живого является способ­ ность соединять аминокислоты друг с другом в различных комбина­ циях и последовательностях с образованием различных полиами­ дов: пептидов и белков, проявляющих совершенно разные свойст­ ва. Условно считают, что пептиды содержат до 100, а белки - свыше 100 аминокислотных остатков. Молекулярная масса пепти­ дов до 1 0 0 0 0 , а у белков - от 1 0 0 0 0 до нескольких миллионов.

21.1.СТРОЕНИЕ, КЛАССИФИКАЦИЯ

ИФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА а-АМИНОКИСЛОТ

Аминокислоты рассматриваются как производные карбоно­ вых кислот, в которых положение аминогруппы относительно карбоксильной принято указывать буквами а, р, у и т. д., что

528

равносильно цифрам 2, 3, 4 и т. д. соответственно. Хотя в при­ родных объектах и обнаружено около 300 разных аминокислот, но в состав большинства пептидов и белков входят 2 0 наиболее часто встречающихся и поэтому важных аминокислот, причем все они а-аминокислоты. В а-аминокислотах карбоксильная и аминогруппы связаны с одним и тем же углеродным атомом (Са), У которого кроме того имеется заместитель R.

Молекулы а-аминокислот содержат две различные кислотно­ основные группы, т. е. являются амфолитами (разд. 8.2). Вслед­ ствие этого в их молекулах происходит перенос протона с кар­ боксильной группы на аминогруппу, т. е. прототропная таутоме­ рия между таутомером, имеющим неионизованную структуру (ТНС), и таутомером с биполярно-ионной структурой (ТБИ).

Поскольку кислотные свойства ТБИ в 1 0 б-5-1 0 6 раз слабее, чем у ТНС, то в водных растворах и кристаллах это прототропное равновесие для молекул а-аминокислот практически полно­ стью смещено в сторону ТБИ. Поэтому а-аминокислоты следует изображать в виде таутомера с биполярно-ионной структурой, так как он правильно отображает не только их структуру, но и кислотно-основные и другие свойства (разд. 8.2, 21.2.1). ТБИ а- аминокислоты, хотя и имеет группы, несущие заряды с проти­ воположными знаками, в целом электронейтрален. В соответст­ вии с этим молекула а-аминокислоты в растворе не смещается под действием электрического поля, т. е. при электрофорезе.

Рассмотрим строение 20 важнейших аминокислот, которые можно сгруппировать на основе свойств заместителя R (табл. 21.1). При этом обратим внимание на сродство заместителя к воде, а именно на его полярность и неполярность, т. е. гидрофильные

и гидрофобные свойства заместителя. В зависимости от свойств заместителя R существует четыре группы а-аминокислот.

Таблица 21Л

П р о д о л ж е н и е

а-Аминокислоты с полярным (гидрофильным) заместителем R

530