Органические соединения в организмах - Молекулярный уровень

Органические вещества — самая многочисленная группа веществ (известно более 10 миллионов). Их основа образована атомами углерода. Атомы С способны образовывать сложные химические «скелеты»: цепочки, кольца и др., которые могут включать атомы других атомов (N, О). Именно органические молекулы придают живым системам характерные признаки. Важнейшими являются четыре их группы: липиды, углеводы, белки и нуклеиновые кислоты. Три последние группы содержат как малые органические молекулы, так и биополимеры.

Биополимеры состоят из подобных или идентичных молекул — мономеров. Мономеры могут быть простыми по составу (моносахариды, аминокислоты) или сложными, с частями различного строения, как нуклеотиды. Синтез полимеров и мономеров называется полимеризацией, обратный процесс — гидролизом.

Свойства биополимеров зависят от их конформации — пространственного взаиморасположения частей макромолекулы. На конформацию полимеров влияет их первичная структура (последовательность мономеров), а также связи между различными частями макромолекулы: водородные, ионные, гидрофобные. Правильную (нативную) конформацию полимеры приобретают при определенных температуре и кислотности среды. Изменение этих условий, влияние инфракрасного или ультрафиолетового излучения, воздействие тяжелых металлов, органических растворителей и т. п. нарушают слабые связи в макромолекуле и приводят к изменениям ее конформации. Этот процесс называется денатурацией. Денатурация может быть обратной, когда возможна ренатурация — восстановление нативной конформации в нормальных условиях. Это случается, если не нарушена первичная структура — не разорваны ковалентные связи между мономерами. Сильные разрушительные агенты приводят к деструкции — необратимой денатурации.

Липиды — жиры и жироподобные вещества. Это малые органические молекулы. Большинство из них неполярные, а следовательно, и гидрофобные. В воде они нерастворимы, но растворимы в неполярных веществах: эфире, бензоле и т. д. Некоторые являются амфифильными.

Липиды являются эфирами жирных кислот и органических спиртов, например трехатомного спирта глицерола. Эфиры глицерола — жиры. Это неполярные и нерастворимые в воде молекулы с меньшей, чем у воды, плотностью (плавают на ее поверхности). В клетках находятся в виде капель. Животные жиры накапливаются в жировой ткани и обычно твердые (сало). Растительные жиры имеют много двойных ковалентных связей в молекулах ненасыщенных жирных кислот и поэтому в основном жидкие. Их называют маслами (подсолнечное, оливковое).

Основные функции жиров — запасание энергии и термоизоляция. Жиры накапливаются в подкожной жировой клетчатке и защищают организм от холода. При потребности в энергии жир легко расщепляется в митохондриях, окисляясь кислородом до углекислого газа и воды с выделением большого количества энергии (при полном окислении 1 г жира выделяет около 9 ккал или 38 кДж энергии).

В состав липидов с глицеролом могут, кроме жирных кислот, могут входить другие соединения, которые частично определяют их свойства. Примером являются фосфолипиды, составляющие основу клеточных мембран. В их составе одна гидроксильная группа глицерола связана с остатком фосфорной кислоты. Соединяясь с другими сложными веществами, липиды могут образовывать липопротеиды (с белками), гликолипиды (с углеводами) и т. д. Эти вещества входят в состав многих клеточных структур, обеспечивая их прочность и стабильность.

В состав липидов могут, кроме глицерола, входить более сложные спирты. Примером являются воски, которые животные и растения используют как водоотталкивающие и защитные вещества, предотвращающие высыхание. Воск может покрывать перья, шерсть и кожу животных или листья, плоды и семена растений.

Еще одной важной группой липидов являются стероиды. Это молекулы, углеводородный скелет которых состоит из соединенных колец (циклов). Распространенными стероидами являются холестерол и его производные — это основа строения молекул ряда гормонов (тестостерон, эстрадиол, прогестерон и др.) и витаминов (витамин D). Стероиды входят в состав клеточных мембран

Углеводы, или сахара — органические вещества, объединяющие как простые, так и сложные вещества. Их разделяют на моносахариды и их производные, олигосахариды и полисахариды. Каждая из групп имеет свои химические и физические особенности. Общая формула сахаров (кроме производных) C_x(H₂O).

Моносахариды — соединения с общей формулой (СН₂O), где у — число от 3 до 7. Они в основном имеют сладкий вкус, легко растворяются в воде. Их производные вместо гидроксильных или карбоксильных групп несут другие функциональные группы. Моносахариды существуют в линейной и циклической формах. Наиболее распространены в природе гексозы и пентозы. К первым относится глюкоза (виноградный сахар), которая входит в состав всех организмов и служит главным источником энергии в клетке (при расщеплении 1 г глюкозы высвобождается 16 кДж энергии), и фруктоза (фруктовый сахар), содержащаяся в меде, сахарной свекле — значительно слаще других сахаров. Пентозы, рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот. Другие моносахариды в природе в свободном виде встречаются редко.

Молекулы моносахаридов способны к реакции полимеризации с образованием олиго- и полисахаридов. Между остатками моносахаридов образуется ковалентная связь, которая называется гликозидной.

В состав олигосахаридов входят 2-10 остатков моносахаридов. Простейшими являются дисахариды. К ним относятся сахароза (свекольный или тростниковый сахар; глюкоза + фруктоза), лактоза (молочный сахар; глюкоза + галактоза), мальтоза (солодовый сахар, 2 остатка глюкозы), трегалоза (грибной сахар, 2 остатка глюкозы) и т. д.

Полисахариды являются полимерами с высокой молекулярной массой. Они не растворяются в воде, не имеют сладкого вкуса. В их состав может входить большое количество моносахаридных остатков одного типа — гомополисахариды, или разных — гетерополисахариды. Мономерами могут быть глюкоза (целлюлоза, крахмал, гликоген), фруктоза (инулин), галактоза, арабиноза, ксилоза и т. д. Полисахариды также могут иметь линейные или разветвленные цепи.

Целлюлоза, или клетчатка — основной полисахарид клеточных стенок растений. Крахмал — основной запасной полисахарид растений, содержится в виде крахмальных зерен в листьях и запасающих органах (семена, клубни, корневища и т. п.). Состоит из линейной амилозы (около 25%) и разветвленного амилопектина (около 75%). Хитин — структурный полисахарид наружного скелета членистоногих и клеточных стенок грибов содержит аминогруппы NH₂. Гликоген — запасной полисахарид клеток животных и грибов, накапливается, прежде всего, в печени и мышцах. При необходимости может быстро распадаться с образованием глюкозы.

Белки — один из важнейших классов органических веществ, составляющих около половины сухого веса клетки. Молекулярная масса белков колеблется от 10 000 до нескольких миллионов. Мономерами белков являются аминокислоты, с которыми и связано огромное разнообразие белков (в живых организмах содержится 10¹⁰-10¹² видов белков).

Белки делят на простые и сложные. Первые состоят только из аминокислот, вторые содержат остатки других органических и неорганических веществ: фосфопротеиды (казеин в молоке, белки яичного желтка); нуклеопротеиды; гликопротеиды (некоторые гормоны, антитела, рецепторы) липопротеиды (входят в состав биологических мембран); металлопротеиды (ферменты); хромопротеиды (гемоглобин, миоглобин).

Аминокислоты — мономеры белков. Это гидрофильные органические соединения, содержащие аминогруппы (— NH₂), придающие молекуле свойства основания, и кислотные карбоксильные группы (— СООН). Общая формула аминокислот H₂N — СН(— R) — СООН, где R— различные радикалы. Это может быть как просто атом водорода, так и разветвленная сложная группа. В тканях живых организмов более 100 аминокислот, но только 20 входят в состав белков.

В организме человека синтезируются не все аминокислоты. Те из них, которые обязательно должны поступать с пищей, называются незаменимыми (у взрослых — валин, лейцин, изолейцин, треонин, лизин, метионин, фенилаланин, триптофан; у детей — также аланин и гистидин). Они содержатся в продуктах животного (в молочных продуктах, яйцах, рыбе, мясе), растительного происхождения (бобовые), а также синтезируются микрофлорой толстого кишечника. Реакция полимеризации аминокислот связана с взаимодействием между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой. В ходе реакции выделяется молекула воды и образуется пептидная ковалентная связь. К свободным карбоксильной и аминогруппе могут присоединяться другие аминокислоты, удлиняя цепочку, называемую полипептидной.

Для нормального функционирования белковой молекулы важна ее правильная конформация, которая определяется, прежде всего, последовательностью аминокислотных остатков в полипептидной цепочке — первичной структуре белка. Соединение полипептидных цепочек посредством водородных связей, образующихся между полярными группами различных аминокислот, образует вторичную структуру белка. В зависимости от взаимодействующих пептидных групп различают а-спираль и Р-складчатую структуру. Кроме того, есть участки с неупорядоченной структурой.

Третичная структура возникает благодаря взаимодействиям между радикалами различных аминокислот (дисульфидные мостики (ковалентные связи между молекулами цистеина), ионные, водородные и гидрофобные связи). Выделяют два типа этой структуры: глобулярный (альбумины, глобулины, гистоны, антитела и т. д.) и фибриллярный (кератин, коллаген, эластин и т. д.).

Четвертичная структура образуется при соединении нескольких полипептидных цепей. Эти комплексы стабилизируются за счет нековалентных взаимодействий. Например гемоглобин состоит из 4 полипептидных цепочек и небелковой части, содержащей железо — гема.

Функции белков:

• структурная — входят в состав всех клеточных компонентов и межклеточного вещества (фибриллярные белки), организация упаковки ДНК в хроматине (гистоны);

• регуляторная — участвуют в регулировании обмена веществ, роста и полового созревания и т. д. (гормоны), обусловливают взаимодействие клеток в тканях;

• транспортная — транспорт O₂ и СO₂ (гемоглобин, гемоцианин), другие белки крови могут переносить стероидные гормоны, жирные кислоты, холестерол и т. д.; ионные каналы и другие мембранные белки осуществляют транспорт ионов и метаболитов через биологические мембраны;

• двигательная — обеспечение движения клеток и внутриклеточных структур (миозин, кинезин т. д.), сокращение мышц (взаимодействие актина и миозина);

• защитная — антитела обезвреживают чужеродные вещества; фибрин обеспечивает свертываемость крови при повреждении кровеносных сосудов. Белковую природу имеют токсины (яды) змей, перепончатокрылых и паукообразных, многих грибов и бактерий (например дифтерийный и холерный токсины);

• питательная — могут накапливаться как запасные вещества (яичный белок, белок зерен пшеницы}; белок молока казеин — источник энергии для детенышей млекопитающих. В организмах животных мышечные белки слу_жат резервными питательными веществами, которые мобилизуются при крайней необходимости;

• ферментативная (каталитическая) — ускорение либо замедление химических реакций, проходящих в организмах.

Ферменты — это простые и сложные белки. В состав последних наряду с апоферментом (белковым компонентом) входит небелковая часть — кофермент (углеводы, металлы, витамины и др.). Превращение субстрата происходит в активном центре. Отсоединяя продукты реакции, фермент принимает первоначальную конформацию и способен снова присоединять субстрат. Таким образом, ферменты в реакциях не расходуются.

Скорость ферментативных реакций зависит от концентрации субстратов и фермента, рН среды, температуры. Многие ферменты имеют дополнительные регуляторные (аллостерические) центры, с ними связываются молекулы активаторов, ускоряющих ферментативную реакцию, и ингибиторов (ионы тяжелых металлов, продукты реакции и т. д.), замедляющие их.

В шести главных классах объединены ферменты, имеющие одинаковую реакционную специфичность. Оксидоредуктазы катализируют окислительно-восстановительные реакции. Трансферазы и гидролазы переносят функциональные группы от одного субстрата на другой. Лиазы катализируют расщепление или образование химических соединений, при этом образуются или исчезают двойные связи. Изомеразы перемещают группы в пределах молекулы без изменения общей формулы субстрата. Лигазы катализируют энергозависимые реакции присоединения и поэтому их действие связано с гидролизом АТФ.

Сейчас ферменты широко используются в легкой, пищевой и фармацевтической промышленности. В промышленных масштабах ферменты получают из растений, животных и микроорганизмов. Протеазы (ферменты, расщепляющие белки) используются в кожевенной промышленности для смягчения кожи и отделения волос от кожи. Они также используются для приготовления детского питания, производства сыров, колбас, кормов для животных. Расщепляют крахмал амилазы, важные для пивоварения, выпечки хлеба. В зубные пасты добавляются ферменты, позволяющие удалять зубной налет; в стиральные порошки и различные моющие средства — влияющие на загрязнение. При некоторых заболеваниях желудочно-кишечного тракта используют препараты, содержащие пищеварительные ферменты (пепсин, трипсин и др.).

Нухлеиновые кислоты — макромолекулы с молекулярной массой от 10 000 до нескольких миллионов. Являются важнейшими функциональными элементами клетки, играя основную роль в сохранении и реализации генетической информации. Различают дезоксирибонуклеиновые кислоты, которые обеспечивают сохранение информации, и рибонуклеиновые, участвующие в процессах генной экспрессии и биосинтеза белка. У многих вирусов РНК является первичным носителем генетической информации.

Мономерами нуклеиновых кислот являются нуклеотиды. Они, в свою очередь, состоят из азотистого основания, моносахарида (рибозы или дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты. Основным веществом, в составе которого происходит накопление энергии, является нуклеотид АТФ (аденозин-трифосфат). Между остатками фосфорной кислоты существует макроэргическая связь, при разрушении которой выделяется (а при образовании поглощается) 33 кДж/моль. Кроме нуклеиновых кислот, нуклеотиды входят в состав важнейших коферментов (НАД, НАДФ, ФАД, КоА) и других биологически активных соединений, выполняя сигнальные функции.

Азотистые основания — это циклические соединения, которые являются общими для всего живого. В состав нуклеотидов входят пять их типов. Основания аденин (А), гуанин (Г) и цитозин (Ц) входят в состав как ДНК, так и РНК. В состав ДНК также входит тимин (Т), а в состав РНК — урацил (У). Азотистое основание определяет название нуклеотида, в состав которого оно входит.

Основу нуклеиновых кислот составляет цепочка пентоз и фосфатов, со в сторону направленными и связанными с моносахаридами азотистыми основаниями. На одном свободном конце цепочки находится фосфат, связанный с пятым атомом углерода моносахарида — 5‘-конец, на другом — ОН-группа, связанная с третьим атомом углерода моносахарида — 3’-конец. Азотистые основания способны образовывать разное количество водородных связей друг с другом. При этом аденин может соединяться с тимином и урацилом (формируют по три водородных связи), а цитозин — только с гуанином (две связи). Такое соответствие структуры называется комплементарностью. Таким образом, образуется первичная структура ДНК, проходит синтез РНК на ДНК и т. д. Как следствие, количество Г в ДНК всегда равно количеству Ц, а количество А — количеству Т (правила Чаргаффа). Молекулы ДНК имеют особую конформацию и различные уровни структурной организации. Первичная структура ДНК — последовательность нуклеотидов в двойной цепи. Дальнейшие уровни организации связаны со взаимодействием с белками, которые обеспечивают скручивание нити и ее плотную упаковку. Сначала образуются нуклеосомы (комплексы белков-гистонов, обвитые ДНК), соединенные нитью ДНК, при образовании длина ДНК сокращается примерно в пять раз. За счет их дальнейшей спирализации нуклеосомной нити и связывания с другими белками длина сокращается в 40 раз. Последним уровнем упаковки ДНК является хромосома, которую лучше всего наблюдать в момент клеточного деления.

РНК — рибонуклеиновые кислоты, сотоящие из одной цепи, главная функция которых — участие в реализации генетической информации (синтезе белка). Различают рибосомные (рРНК), транспортные (тРНК), информационные, или матричные (иРНК, или мРНК), и низкомолекулярные РНК (нмРНК), функции большинства из которых неизвестны. Все РНК синтезируются на матрице ДНК с помощью фермента РНК-полимеразы.

рРНК составляют около 80% всех клеточных РНК. Вместе со специальными белками они образуют рибосомы. тРНК имеют крайне консервативную первичную структуру, подобную у разных организмов. Конформация молекулы напоминает лист клевера. Основная функция — связывание соответствующей аминокислоты и перенос ее на рибосому. иРНК служат матрицами для синтеза клеточных белков. В ядре синтезируются предшественники РНК, которые «созревают» в процессе сплайсинга.

Биологически активные вещества — вещества различной химической природы, влияющие на физиологические процессы и метаболизм организма. Это группа соединений, выделенная не на основании их химических свойств, а по особенностям их действия на организм.

Гормоны — органические соединения, секретируемые эндокринными железами и предназначенные для управления функциями организма, их регулированием и координацией. Чаще имеют белковую или стероидную природу.

Нейрогормоны — группа химических соединений, секретируемых нейронами и действующих, как гормоны. Включают рилизинг-факторы и нейромедиаторы, обеспечивающие передачу нервных импульсов в синапсе; к нейромедиаторам принадлежат дофамин, адреналин, норадреналин, серотонин, гистамин, ацетилхолин и гаммааминомасляная кислота.

Фитогормоны — органические вещества, вырабатываемые растениями, образующиеся обычно нетам, где проявляется их действие. Эти вещества в малых концентрациях регулируют рост растений и их физиологические реакции на различные воздействия.

Алкалоиды — преимущественно растительного происхождения физиологически активные вещества. Это гетероциклы, которые имеют в своем составе N. К ним относятся кофеин, морфин, стрихнин, никотин и др. Широко используются в пищевой промышленности, медицине и фармации.

Фитонциды — секреты растений, убивающие или подавляющие рост и развитие других организмов (главным образом бактерий). Они играют важную роль в иммунитете растений и во взаимоотношениях организмов в биоценозах. По химической природе — гликозиды, терпеноиды и т. д.

Витамины — составная часть молекул многих ферментов и некоторых физиологически активных веществ. Необходимы для нормального обмена веществ и жизнедеятельности организма. Известно около 50 витаминов, для удобства их обозначают буквами латинского алфавита; делятся на жирорастворимые и водорастворимые. Биосинтез витаминов происходит преимущественно у растений, однако человек получает витамины из продуктов как растительного, так и животного происхождения. Некоторые синтезируются микрофлорой кишечника.

Нарушение поступления в организм витаминов может проявляться в трех разных формах: 1) авитаминоз — полное отсутствие поступления в организм какого-либо витамина; основная причина — нарушение его всасывания в кишечнике, 2) гиповитаминоз — недостаточное поступление какого-либо витамина с пищей, 3) гипервитаминоз — избыток витамина.