biohimiyaverstka

Все органические молекулы обладают различной трехмерной структурой (рис. 2). Ни один другой элемент не способен создавать стабильные молекулы со столь разнообразной конфигурацией и химическими свойствами.

Все химические элементы входят в состав органических и неорганических веществ, выполняющих в организме определенные функции. Если все биологические вещества, функционирующие в клетке, расположить по сложности их строения, то получаются определенные уровни организации клетки.

12

Среди соединений, входящих в состав организмов, принято выделять пластические и энергетические вещества. Пластические вещества служат строительным материалом при формировании внутриклеточных структур, клеток и тканей. Это главным образом белки, нуклеиновые кислоты, некоторые виды липидов и высокомолекулярных углеводов (полисахариды). Энергетические вещества выполняют роль поставщиков энергии для процессов жизнедеятельности, распадаясь при этом до углекислого газа (СО2) и воды (Н2О). К ним относятся низкомолекулярные и некоторые высокомолекулярные (гликоген, крахмал) углеводы и отдельные группы липидов (в основном жиры).

Приведенная классификация носит весьма условный характер. Так, например, многие биологически активные вещества выполняют в организме пластическую функцию (некоторые ферменты), вместе с тем в определенных условиях пластические соединения могут использоваться как субстрат для окисления, т. е. играют энергетическую роль.

14

Далее подробно рассмотрим структуру, свойства и биологические функции биологических молекул.

1.2.Структура, свойства

ибиологические функции воды

Жизнь на планете Земля зародилась в водной среде. Ни один организм не может обходиться без воды. Несмотря на простоту химического состава и строения, вода является одним из удивительных соединений, обладает уникальными физико-химическими свойствами и биологическими функциями.

Молекула воды (Н2O) – полярное соединение, в котором электрофильный атом кислорода притягивает спаренные электроны от атомов водорода, приобретая частичный отрицательный заряд, в то время как атомы водорода приобретают частично положительные заряды. Важной особенностью воды является способность ее молекул объединяться в структурные агрегаты за счет образования водородных связей между разноименно заряженными атомами. Образующиеся ассоциаты (рис. 3) состоят из нескольких молекул воды, поэтому формулу воды правильнее было бы записать как (Н2O)n, где n = 2, 3, 4, 5. Водородные связи имеют исключительно важное значение при формировании структур биополимеров, надмолекулярных комплексов, в метаболизме.

Водородная связь – это взаимодействие атома водорода с более электроотрицательным атомом, имеющее частично донорно-акцепторный, частично электростатический характер. Любая химическая связь характеризуется энергией ее образования. По энергии водородная связь занимает промежуточное положение между ковалентной и ионной химическими связями и слабыми ван-дер-ваальсо- выми взаимодействиями.

15

молекулами органических и неорганических веществ, локализованных в клетке организма. Этот процесс получил название гидратации веществ.

Физико-химические свойства воды определяют ее биологические функции:

•вода является прекрасным растворителем. Она составляет основу жидких дисперсных систем организма: крови, лимфы, мочи, слюны, желудочного и кишечного соков, синовиальной и спинномозговой жидкостей, внутреннего содержимого клеток и межклеточной жидкости. Дисперсными называются системы, состоящие из мелко раздробленных частиц одного вещества (или нескольких), распределенных более или менее равномерно в массе другого. Раздробленное вещество называется дисперсной фазой, а вещество, в котором происходит распределение частиц дисперсной фазы, называется дисперсной средой.

Вбольшинстве жидких дисперсных систем организма вода является дисперсной системой;

•вода выполняет функцию регулятора теплового баланса организма, так как ее теплоемкость значительно превышает теплоемкость любого биологического вещества. Поэтому вода может долго сохранять тепло при изменении температуры окружающей среды и переносить его на расстояние;

•вода способствует сохранению внутриклеточного давления и формы клеток (тургор). Большую роль в процессах жизнедеятельности играет явление диффузии – движения частиц дисперсной фазы и дисперсной среды, приводящего к самопроизвольному выравниванию их концентрации по всему объему системы и установлению состояния равновесия. Причиной этого процесса считают тепловое движение частиц растворенного вещества и растворителя.

Особым видом диффузии является диффузия растворителя через полупроницаемую мембрану, которая непроницаема или малопроницаема для многих растворенных веществ. Вода способна проходить через мембрану,

17

если величина ее пор соответствует размерам молекул воды или если вещество мембраны растворяется в воде. Односторонняя диффузия растворителя через полупроницаемую мембрану получила название осмоса. При такой диффузии устанавливается осмотическое равновесие, при котором в обоих направлениях проходит одинаковое количество растворителя.

Сила, вызывающая осмос, получила название осмотического давления. Величина его зависит от количества частиц растворенного вещества в единице объема раствора и от скорости их движения. Когда внутриклеточное осмотическое давление незначительно преобладает над наружным, клетка находится в нормальном для нее напряженном состоянии – оно называется тургором. При значительном преобладании внутриклеточного осмотического давления избыточное поступление воды в клетку может привести к расстройству ее функций и даже разрыву клеточной оболочки, т. е. к гибели клетки – лизису. В противоположном случае, если больше воды выходит из клетки, происходит сжатие протоплазмы клетки – плазмолиз. Плазмолиз является одной из причин гибели организма от жажды;

• в определенных биохимических процессах вода выступает в качестве субстрата.

Содержание воды в организме человека зависит от возраста: чем моложе человек, тем выше содержание воды. У новорожденных вода составляет 75 % от массы тела, у детей от 1 года до 10 лет – 60–65 %, а у людей старше 50 лет – 50–55 %. Внутри клеток содержится 2/3 общего количества воды, внеклеточная вода составляет 1/3. Необходимое содержание воды в организме человека поддерживается за счет поступления ее извне (примерно 2 л в сутки); около 0,3 л в сутки образуется в процессе распада веществ внутри организма. Нарушение водного баланса в клетках организма приводит к тяжелым последствиям вплоть до гибели клеток. Функции клеток зависят от общего количества внутриклеточной и внеклеточной воды,

18

от водного окружения макромолекул и субклеточных структур. Резкое изменение содержания воды в организме приводит к патологии.

Вопросы для самоконтроля

1.Назовите химические вещества, составляющие организм человека.

2.Какие элементы называют макроэлементами в организме человека? Приведите примеры.

3.Покажите иерархию веществ, входящих в состав живого, по сложности их строения. Приведите примеры.

4.Охарактеризуйте особенности распределения минеральных соединений между отдельными тканями и укажите их биологическую роль.

5.Чем объясняются уникальные физико-химические свойства воды?

6.Перечислите биологические функции воды в организмах.

Основные понятия

Макроэлементы, микроэлементы, ультрамикроэлементы, низкомолекулярные вещества (малые молекулы), биологические мономеры, биополимеры (макромолекулы), надмолекулярные комплексы, клеточные органеллы, пластические вещества, энергетические вещества, водородная связь, гидрофильные молекулы, гидрофобные молекулы, амфифильные молекулы, тургор, лизис, плазмолиз.

1.3. Белки

Белки – высокомолекулярные вещества, состоящие из аминокислот, связанных между собой пептидными связями.

Белки представляют собой нерегулярные полимеры. Они составляют значительную часть тканей живых ор-

ганизмов – до 25 %. По количеству генов у человека пред-

19

полагают наличие около 50000 видов белков. Самый распространенный белок у человека – коллаген, на его долю приходиться 30 % от общего содержания белка.

Атомарный состав белков представлен следующим образом: С – 59 %; H – 6,5–7,3 %; N – 15–18 %; O – 21–24 %; S – 2,5 %, в некоторых P – 0,2–2 %. В состав отдельных белков входят I, Fe, Cu, Br, Mn и другие.

Молекулярный состав белков. Структурными блоками, или мономерами, белков служат аминокислоты – органические соединения, содержащие амино- и карбонильную группы (рис. 4).

H

H2N C COOH

R

Рис. 4. Общая формула аминокислот

Представленная формула верна для 19 из 20 аминокислот, встречающихся в белках (табл. 5). В состав белков, кроме этих 19 аминокислот, входит одна иминокислота –

пролин.

Аминокислоты – мономеры, которые входят в состав белков, являются L-аминокислотами. В природе существуют две формы стереоизомеров: L (левовращающие) и D (правовращающие). Помимо L-аминокислот, входящих в белки, в организме есть и D-аминокислоты, которые в белки не включаются.

Аминокислоты различаются по структуре бокового радикала R, а следовательно, и по физико-химическим свойствам, присущим этим радикалам. Среди радикалов можно выделить остатки алифатических, ароматических, гетероциклических молекул, а также функциональные группы спиртов, карбоновых кислот или аминов, которые могут содержать атомы серы.

20