Биоорганическая химия. Учебное пособие

УДК 547(075.8)

ББК 24.2я73 О-74

Осипова, О. В.

Биоорганическая химия: учебное пособие / О. В. Осипова, А. В. Шустов. — 2-е изд. (эл.)

— Саратов: Научная книга, 2019. — 367 с.

ISBN 978-5-9758-1886-7

Учебное пособие по биоорганической химии предназначено для подготовки студентов медицинских вузов и колледжей к сдаче экзаменов. Предложенный материал предельно конкретизирован, написан доступным языком и будет незаменимым помощником для тех, кто желает быстро подготовиться к экзамену и успешно его сдать.

3

Тема 1. Вводная лекция. Живая и неживая материя

ВВОДНАЯ ЛЕКЦИЯ.

ЖИВАЯ И НЕЖИВАЯ МАТЕРИЯ. Тема 1. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ ВОДЫ

1. Живая и неживая материя. Все живые объекты, состоящие из неживых молекул, характеризуются общими свойствами, среди ко торых первостепенными являются сложность и высокий уровень организации. Сложность внутренней структуры определяется вклю чением многочисленных химических соединений, имеющих разно образное строение. Неживая среда состоит из относительно неслож ных химических соединений, их структурная организация выражена слабо.

Химические компоненты клетки — липиды, белки и нуклеи новые кислоты выполняют строго определенные функции.

Для построения и поддержания сложной структурной орга низации живая материя способна преобразовывать энергию, из влекаемую из окружающей среды, что невозможно в неживой ма терии.

Живая материя совершает определенную полезную работу, в частности — механическую.

Самое замечательное свойство живой материи — это ее спо собность к точному воспроизведению, что и определяет понятие жизни.

И совсем замечательно будет найти ответ на вопрос, как не живые молекулы, составляющие живые организмы, взаимодей ствуют друг с другом, поддерживают живое состояние и обеспечи вают его воспроизведение.

В поисках ответа нужно четко определить структуру и функ ции биомолекул, входящих в живые системы.

Большинство химических составляющих живых организмов можно отнести к органическим соединениям, в которых углерод находится в относительно восстановленной или гидрированной форме, некоторые также содержат азот. Органические соединения, входящие в состав живого, разнообразны и, как правило, очень сложны. Организм человека содержит приблизительно 5 млн. раз личных белков, нам известно точное строение ничтожно малой

5

Тема 1. Вводная лекция. Живая и неживая материя

части всех органических соединений, существующих в живой при роде. Но в то же время все огромное разнообразие органических молекул в живых организмах сводится к довольно простой карти не. Макромолекулы в клетке состоят из большого числа простых небольших молекул, которые выполняют функцию строительных блоков и связываются друг с другом в длинные цепи. Примером могут служить молекулы белков, в которых обнаружено всего 20 различных аминокислот, однако благодаря тому, что они могут со единяться друг с другом в самой различной последовательности, они образуют огромное количество всевозможных белков. Эти 20 аминокислот, из которых построены белки, и 8 нуклеотидов, из ко торых построены нуклеиновые кислоты, одинаковы у всех орга низмов.

Немногочисленные простые молекулы, составляющие осно ву блоков макромолекул, обычно выполняют в клетках несколько функций. Так, аминокислоты являются не только строительными блоками белковых молекул, но и предшественниками гормонов, алкалоидов, порфиринов, пигментов, многих других биомолекул, а мононуклеотиды используются и как строительный материал для нуклеиновых кислот, и как коферменты и вещества, аккуму лирующие энергию. Живые молекулы не содержат при нормаль ном состоянии организма нефункционирующих соединений, хотя известна функция не всех биомолекул. Функциональное много образие молекул, являющихся строительными блоками, состав ляет принцип молекулярной экономии.

Как же живые организмы создают и поддерживают сложную упорядоченность в среде со сравнительной неупорядоченностью? Живые организмы подчиняются законам термодинамики. Пер вый закон термодинамики утверждает, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена. Живые организмы не могут ни созда вать энергию из ничего, ни уничтожать ее, они могут только пре образовывать одну форму энергии в другую. Полезная энергия клетки, утилизируемая из окружающей среды, называется сво бодной энергией и определяется как энергия, способная произво дить работу при постоянных температуре и давлении. Энергия, возвращаемая клеткой в окружающую среду, обычно выделяется в форме тепла, что приводит к уменьшению степени упорядочен

6

Тема 1. Вводная лекция. Живая и неживая материя

ности среды, т. е. к повышению ее энтропии. Отсюда важный вы вод: живые организмы создают и поддерживают присущую им упорядоченность за счет внешней среды, степень упорядоченно сти которой в результате этого уменьшается. С точки зрения тер модинамики живые организмы представляют собой открытые систе мы, так как они обмениваются с внешней средой как энергией, так и веществом и при этом преобразуют и то, и другое. Характер ной особенностью открытых систем является то, что они не нахо дятся в равновесии с внешней средой. Для них характерно так называемое стационарное состояние. Под стационарным состоя нием понимается состояние открытой системы, при котором ско рость переноса вещества и энергии из среды в систему точно урав новешивается скоростью переноса вещества и энергии из системы. Клетка представляет собой неравновесную открытую систему: из влекая из внешней среды свободную энергию, она увеличивает энтропию среды.

Живая клетка является изотермической химической маши ной. Энергию, которую клетки поглощают из внешней среды, они получают в форме химической энергии, которая затем преобразует ся для выполнения химической работы, совершаемой в процессе биосинтеза клеточных компонент, а также осмотической работы, необходимой для транспорта веществ в клетку, и механической ра боты сокращения и передвижения.

Химическая работа клетки осуществляется с участием фермен тов — катализаторов, способных значительно ускорять химические реакции. Ферменты — высокоспециализированные белковые моле кулы, построенные из аминокислот. Каждый тип ферментов может катализировать обычно какой то один тип химической реакции. Ферменты способны в течение миллисекунд обеспечить протека ние сложных многостадийных реакций, причем при этих реакциях не образуется побочных продуктов. Так как каждый фермент спо собен ускорять только одну какую либо реакцию данного соеди нения, не влияя при этом на другие его возможные реакции, в жи вых организмах может протекать одновременно множество различных независимых реакций. Эта высокая степень специ фичности ферментов составляет принцип структурной компле ментарности. Молекулы ферментов в ходе каталитического цикла

7

Тема 1. Вводная лекция. Живая и неживая материя

должны соединяться со своими субстратами, и активный центр молекулы фермента может воспринимать в качестве субстрата лишь такие молекулы, которые почти полностью комплементарны ему. Ферментативные химические реакции, протекающие в клетке, связаны между собой в сложные последовательности, имеющие общие промежуточные продукты, так как продукт первой реак ции может служить субстратом или реагентом второй реакции. Такие последовательности могут состоять из 2—20 реакций, они связаны между собой и образуют сложную сеть реакций. Биоло гическое значение такого рода систем многообразно: системы по следовательных реакций обеспечивают направленность биохими ческих реакций; благодаря им становится возможным перенос химической энергии в изотермических условиях. Гетеротрофные клетки, к которым относится боль шинство животных клеток, ути лизируют энергию сильно восстановленных богатых энергией орга нических молекул (в частности, глюкозы), получаемых из вне шней среды. В клетках глюкоза окисляется до двуокиси углерода и воды; при этом определенное количество свободной энергии молекулы глюкозы сохраняется в форме химической энергии и за тем используется для выполнения различных видов работ в клет ке. Нужно заметить, что фотосинтезирующие клетки используют

вкачестве главного источника энергии солнечный свет, энергия солнца поглощается пигментом хлорофиллом и преобразуется

вхимическую энергию. Эти два класса живых клеток, хотя и полу чают энергию из внешней среды в различных формах, накапливают ее и используют в основном в одной форме — в виде аденозинтри фосфата (АТФ). АТФ служит главным носителем химической энер гии в клетках всех живых существ. При передаче своей энергии другим молекулам он теряет концевую фосфатную группу и превра щается в аденозиндифосфат (АДФ), представляющий собой низко энергетический субстрат. АДФ может вновь получить химическую энергию, присоединив фосфатную группу и превратившись в АТФ. Благодаря существованию последовательностей химических реак ций становится возможной специфическая биологическая функция системы АТФ АДФ как связующего звена между двумя группами ферментативных реакций в клетке — сохранение путем фосфори лирования низкоэнергетического АДФ с превращением его в вы

8

Тема 1. Вводная лекция. Живая и неживая материя

сокоэнергетический АТФ и использование АТФ для биосинтеза клеточных компонент из простых предшественников с сопутствую щим распадом АТФ до АДФ.

В живых клетках в одном и том же объеме в одно и то же время происходят сотни и тысячи синтезов различных молекул, исходным сырьем для которых являются всего лишь несколько общих пред шественников. Объединение катализируемых ферментами реакций

впоследовательности обеспечивает упорядоченную направлен ность тысяч химических реакций, происходящих в клетке. В резуль тате все специфические биомолекулы, необходимые для функцио нирования клетки и сохранения ее структуры, образуются в таких относительных количествах, которые необходимы для сохранения нормального устойчивого состояния. Таким образом, мы пришли к выводу, что скорость специфической реакции, протекающей в од ной части сложной системы ферментативных реакций, может регу лироваться или изменяться в зависимости от скорости реакций, протекающих в других частях системы. Накопление промежуточ ных продуктов в количествах, превышающих некоторый критиче ский уровень, действует как сигнал к образованию этих веществ. Этот тип регуляции представляет собой ингибирование по типу об ратной связи. Некоторые клеточные ферменты (катализирующие начальные стадии последовательности или реакции, находящиеся

вточках разветвления метаболических путей) действуют как регуля торные ферменты, т. е. подавляются конечным продуктом соответ ствующей последовательности реакций. Живые клетки также спо собны регулировать синтез своих собственных катализаторов. Эта способность к саморегуляции обеспечивает устойчивое состояние живой клетки, без нее невозможна эффективная работа трансфор мирующих энергию механизмов клетки.

Живую клетку отличает способность воспроизводить себе по добные с очень большой точностью в сотнях генераций. Процес сы воспроизводства отличаются следующими признаками:

1)символы, в которых закодирована генетическая информа ция, соответствуют по размерам составным частям отдельных мо лекул ДНК;

9

Тема 1. Вводная лекция. Живая и неживая материя

2) генетическая информация стабильна, хранится в форме нук леотидной последовательности молекулы дезоксирибонуклеино вой кислоты (ДНК).

Способность живых организмов к сохранению генетической информации является результатом структурной комплементар ности. Одна цепь ДНК служит матрицей для ферментативной ре п ликации другой структурно комплементарной цепи ДНК.

Поскольку генетическая информация закодирована в форме специфической последовательности четырех основных монону клеотидов, являющихся строительными блоками линейной поли мерной молекулы ДНК, она представляет собой одномерную структуру. В то же время клетки обладают трехмерной структурой, следовательно, их компоненты также трехмерны. Не вызывает сом нения, что одномерная информация, содержащаяся в ДНК, пре образуется в трехмерную информацию, присущую макромолеку лярным и надмолекулярным компонентам живых организмов, с помощью трансляции структуры ДНК в структуру белка. Одним словом, специфическая линейная последовательность оснований в ДНК транслируется в процессе белкового синтеза в соответст вующую линейную последовательность аминокислот полипепти дной цепи. Но в отличие от молекулы ДНК полипептидные цепи, имеющие линейную форму, не имеют стабильности, они сам опроизвольно скручиваются в определенные стабильные трех мерные структуры, точная геометрия которых определяется ами нокислотной последовательностью.

Молекулярные компоненты клетки

В живых организмах в наибольших количествах содержатся водород, кислород, углерод и азот. Легкое образование ковалент ных связей посредством спаривания электронов — общее свой ство этих четырех элементов, позволяющее наилучшим образом выполнять биологические функции. Для того чтобы полностью укомплектовать свои внешние электронные оболочки и создать та ким образом стабильные ковалентные связи, водороду требуется один электрон, кислороду — два, азоту — три, углероду — четыре. Эти четыре элемента легко реагируют друг с другом, заполняя свои внешние оболочки. Кроме того, C, N, O образуют и ординарные,

10