Биоорганическая химия. Учебное пособие

Тема Вводная лекция. Живая и неживая материя

идвойные связи, благодаря чему формируются разнообразные хи мические соединения. Поскольку прочность ковалентной связи об ратно пропорциональна атомным весам связанных с ее помощью атомов, в живых организмах преобладают именно эти элементы благодаря их способности формировать прочные ковалентные связи.

Не менее важна способность атомов углерода взаимодействовать друг с другом, образуя стабильные ковалентные углерод углеродные связи. Каждый углеродный атом может образовывать ковалентные связи с четырьмя атомами углерода. Ковалентно связанные атомы углерода способны создавать основы бесчис ленного множества различных органических молекул. Помимо этого, поскольку атомы углерода образуют ковалентные связи с кислородом, водородом

иазотом, серой, в органические молекулы может включаться ог ромное количество различных функциональных групп. Никакой другой химический элемент, кроме углерода, не может создавать стабильные молекулы со столь разнообразными конфигурациями

иразмерами и с таким разнообразием функциональных групп. Органические соединения углерода в живых организмах на

ходятся в сильно восстановленной или гидрированной форме. Поскольку атмосфера очень богата кислородом, углерод и водо род обычно стремятся окислиться до двуокиси углерода и воды — соединений стабильных и бедных энергией. В то же время восста новленные органические соединения, входящие в состав живого вещества, обладают более высоким запасом энергии, поэтому их построение из СО2 и воды требует определенных затрат свобод ной энергии.

Итак, все органические биомолекулы происходят из очень простых низкомолекулярных предшественников, происходящих из внешней среды, — двуокиси углерода, воды и атмосферного азота, которые через промежуточные продукты метаболизма (α кетокислоты, фосфопируват малат, ацетат малонат, рибоза кар бамоил фосфат) последовательно превращаются во все большие молекулы. В дальнейшем эти строительные блоки связываются друг с другом ковалентными связями, образуя макромолекулы с относительно высоким молекулярным весом. Белки образуются

11

Тема 1. Вводная лекция. Живая и неживая материя

из аминокислот; нуклеиновые кислоты — из мононуклеотидов, полисахариды — из моносахаридов, большинство липидов — из жирных кислот.

На более высоком уровне организации макромолекулы, от носящиеся к различным группам, объединяются друг с другом, образуя надмолекулярные комплексы (липопротеиды, представ ляющие комплексы липидов и белков, или рибосомы — комплек сы нуклеиновых кислот и белков). В надмолекулярных комплек сах составляющие их макромолекулы не связываются ковалентно друг с другом, а удерживаются вместе посредством слабых неко валентных сил — ионных взаимодействий, водородных связей, ги дрофобных взаимодействий и вандерваальсовых сил, которые до статочно стабильны благодаря комплементарности отдельных частей комплекса.

На высшем уровне организации в иерархии клеточной струк туры различные надмолекулярные комплексы объединяются в орга неллы — ядро, митохондрии, лизосомы и пр. Объединение также происходит нековалентно (см. табл. 1).

12

Тема 1. Вводная лекция. Живая и неживая материя

Функции четырех классов биомакромолекул во всех клетках одинаковы.

Первые клетки, возникшие на Земле, были построены всего лишь из 30 первичных биомолекул, включающих 20 аминокис лот, 5 азотистых (ароматических) оснований, жирную кислоту, два саха ра, трехатомный спирт, глицерин и аминхолин. В ходе эволюции возникли более сложные и разнообразные биомолекулы. В настоя щее время известно свыше 150 аминокислот; свыше 70 простых сахаров происходят от глюкозы, из них образуется множество раз нообразных полисахаридов. Жирные кислоты происходят от паль митиновой кислоты.

По теории биохимика А. И. Опарина химические и физические процессы, происходившие в примитивной атмосфере, могли при водить к самопроизвольному образованию простых органических соединений — аминокислот и сахаров из метана, аммиака и водяно го пара, которые присутствовали в атмосфере первобытной Земли. Эти газы, видимо, активировались солнечным излучением или гро зовыми разрядами и вступали в реакции друг с другом. Получав шиеся в результате этих реакций простые органические вещества конденсировались и растворялись в первичном океане, который постепенно обогащался разнообразными химическими соедине ниями. Предположительно первые живые клетки возникли само произвольно из этого теплого концентрированного раствора орга нических соединений.

Современные биомолекулы были отобраны из значительного числа имевшихся соединений благодаря их особым свойствам,

13

Тема 1. Вводная лекция. Живая и неживая материя

которые обеспечивали самую высокую степень выживания, т. е. в силу особой пригодности этих молекул для выполнения биоло гических функций.

Размеры и формы биомолекул имеют важное значение в био химии и молекулярной биологии. Точность комплементарного соответствия субстрата и активного участка фермента обусловли вает высокую избирательность ферментативного катализа. Изме нение критического размера молекулы всего лишь на долю анг стрема может привести к утрате ею активности в качестве субстрата фермента. Фермент способен не только различать трехмерную фор му молекул своего субстрата, но и отдельные участки молекул и зна ки их электрических зарядов; он различает положение незаряжен ных полярных групп, например гидроксильной, карбонильной, амидной, способных участвовать в образовании водородной связи; способен также различать размеры и форму неполярных углево дородных групп на поверхности биомолекулы, которые вполне могут служить контактными участками при гидрофобных взаимо действиях. Трехмерная форма особенно важна в случаях макро молекул — в частности белков. При нормальных условиях белок присутствует в какой то одной специфической трехмерной кон фигурации, называемой нативной, которая не обходима для его биологической активности. Фермент обладает каталитической ак тивностью только в этой нативной конфигурации.

Итак, основными сложными биомолекулами, присутствую щими в клетках и тканях высших животных, являются ДНК, РНК, белки, полисахариды, липиды. Эти сложные молекулы построе ны из простых биомолекул.

14

Тема 1. Вводная лекция. Живая и неживая материя

15

Тема 1. Вводная лекция. Живая и неживая материя

2. Биологическое значение воды. Воду нельзя считать инерт ной жидкостью. Она представляет собой в высшей степени реак тивно способное вещество.

Физические свойства и структура воды

По сравнению с другими жидкостями вода имеет необычно высокие температуры плавления и кипения, теплоту испарения, удельную теплоемкость, большое поверхностное натяжение. Эти особенности воды связаны с тем, что силы притяжения между мо

16

Тема 1. Вводная лекция. Живая и неживая материя

лекулами жидкой воды очень велики и соответственно велико их внутреннее сцепление. Большая прочность связей между молеку лами в жидкой воде является следствием электрической полярно сти молекул воды, которая в свою очередь представляет собой результат специфического расположения электронов в атомах кис лорода и водорода, составляющих молекулу воды. Характерное расположение электронов в молекуле воды придает ей электриче скую асимметрию. Более электроотрицательный атом кислорода стремится притянуть электроны атома водорода, оставляя водо родные ядра обнаженными. В результате каждый из двух атомов водорода обладает частичным положительным зарядом, а атом кислорода несет частичный отрицательный заряд, локализован ный в области необобществленных орбиталей. Так, молекула во ды в целом, хотя и не имеет суммарного заряда, представляет со бой электрическую диполь.

Силы притяжения между молекулами воды определяются в ос новном полярной природой этих молекул, так как между частич ным отрицательным зарядом атома кислорода одной молекулы воды и частичным положительным зарядом атома водорода со седней молекулы воды имеет место сильное электрическое притя жение. Этот тип электростатического взаимодействия называют обычно водородной связью. Водородные связи менее прочны по сравнению с ковалентными; энергия водородных связей в жидкой воде значительно меньше, чем энергия ковалентной связи Н — О.

Расположение электронов вокруг атома кислорода близко к тетраэдрическому, т. е. каждая молекула воды стремится связать ся водородной связью с четырьмя соседними молекулами воды. Скорость образования и разрыва водородных связей в водных систе мах много больше скорости образования и разрыва большинства ковалентных связей. Именно поэтому водородные связи обла дают существенным преимуществом по сравнению с ковалентны ми связями с точки зрения реализации биологических процессов.

Свойства воды как растворителя

Вследствие своей полярной природы вода растворяет или дис пергирует очень многие вещества; вода является великолепным растворителем полярных и нейтральных молекул. Вода дисперги

17

Тема 1. Вводная лекция. Живая и неживая материя

рует также амфипатические вещества, например мыла и поляр ные липиды, — с образованием мицелл, в которых гидрофобные группы спрятаны внутрь и не контактируют с водой, тогда как по лярные группы располагаются на наружной поверхности мицелл. Многие клеточые компоненты являются амфипатическими и стре мятся образовать структуры, в которых неполярные гидрофобные участки скрыты от воды — это белки и нуклеиновые кислоты. Формирование мицелл есть результат стремления окружающих молекул воды образовать друг с другом максимальное число водо родных связей. В отличие от водородных связей гидрофобные взаимодействия не являются строго направленными, но обеспе чивают создание систем, отличающихся высокой стабильностью.

Присутствие полярных растворенных веществ, например NaCl, вызывает вполне определенные изменения в структуре жидкой воды, так как каждый ион Na+ и Cl— окружен оболочкой водных диполей. Соли как бы ломают структуру воды. Растворенные ве щества приводят к понижению температуры замерзания и к по вышению температуры кипения растворителя, они обусловли вают осмотическое давление раствора.

Вода очень слабо диссоциирует, образуя ионы гидроксония (H3O+) и гидроксильные ионы (OH–).

Ионизацию воды обычно описывают простым уравнением:

H2O → H+ → + OH–.

Ионы гидроксония гидратированы в воде и реально сущест вуют в виде ионов H9O4+. Протоны могут «перескакивать» от H3O+ на молекулы Н2О с очень большой скоростью за счет высокой электрической подвижности протонов в воде и во льду. В разбав ленных водных растворах отношение концентраций ионов Н+ и ОН– выражается следующим уравнением:

Кw = I H+I → I OH–I = 1 ° 10–14 (при 25 oС).

18

Тема 2. Основы термодинамики

Концентрацию водородных ионов в биологических системах выражают через рН, величина которого численно равна отрица тельному логарифму концентрации ионов Н+ (рН= –lg I H+ I).

Кислоты определяются как доноры протонов, а основания — как акцепторы протонов. Сопряженная кислотно основная пара содержит донор протонов (НА) и соответствующий ему акцептор протонов (А–). Стремление кислоты НА отдавать протоны характе ризуется ее константой диссоциации К' или величиной рК', опреде ляемой аналогично рН (рК'= –lg К'). Величина рН раствора слабой кислоты количественно связана с ее рК' и с отношением концен траций донора (НА) и акцептора (А–) протонов уравнением Гендер сона Хассельбалха. Сопряженная кислотно основная пара может действовать как буфер и препятствовать изменениям рН; ее бу ферная емкость максимальна при значении рН, численно равном ее рК'. Наиболее важными биологическими буферными парами являются Н2СО3—НСО3— и Н2РО4– —НРО42–. Каталитическая активность ферментов сильно зависит от рН.

Живые организмы успешно используют необычные свойства воды. Высокая удельная теплоемкость воды полезна для клетки, потому что клеточная вода, действуя как тепловой буфер, сохра няет относительное постоянство температуры клетки при заметных изменениях температуры окружающей среды. Большая теплота ис парения воды лежит в основе механизма теплоотдачи путем испаре ния пота у позвоночных.

ОБЩАЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ СУЩНОСТЬ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ.

Тема 2. ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ

Термодинамическая концепция (основная в энергетике мета болизма) — концепция свободной энергии, являющейся крите рием способности системы выполнять полезную работу при по стоянном давлении и постоянной температуре.

1. Основные положения термодинамики. Термодинамический анализ энергетического обмена начинается с выделения системы —

19

Тема 2. Основы термодинамики

совокупности предметов внутри определенной области. Все остаю щееся за пределами этой области и находящееся в остальной части пространства обозначается как окружающая среда.

Энергия может переходить из системы в окружающую среду или из окружающей среды в систему. При анализе процесса рассма т риваются начальные энергетические состояния системы и окружа ю щей среды и конечные их состояния, т. е. состояния, возник шие после установления равновесия. Количество энергии, соответст вующее каждому состоянию системы, зависит от раз личных поддающихся измерению параметров — температуры, да вления, объема, массы — и выражается уравнением состояния.

Изменение энергии системы зависит только от начального и конечного состояния и не зависит от пути превращения.

Первый закон термодинамики — это закон о сохранении энер гии: общая энергия системы и окружающей среды остается по стоянной.

Энергия не может появляться и исчезать, но она может пере ходить из одной формы в другую (тепловую, световую, электриче скую, механическую или химическую).

Математическое выражение первого закона термодинамики:

∆Е = Ев – ЕА= Q – W,

где ЕА — энергия системы в начале процесса; Ев — энергия в конце процесса;

Q — тепло, поглощаемое системой;

W — работа, совершаемая системой.

Первый закон термодинамики не дает возможности предска зать, может та или иная реакция протекать спонтанно. Некоторые реакции все же идут спонтанно, несмотря на положительное зна чение ∆Е. При этом система поглощает тепло из окружающей среды, так что суммарная энергия системы и окружающей среды остается постоянной. Очевидно, что в этих случаях для предска зания спонтанности процесса требуется функция, отличная от ∆Е. Одной из таких функций является энтропия S, которая служит ме рой степени неупорядоченности системы. Энтропия системы воз

20