Малые органические молекулы

Их условно можно разделить на четыре группы: сахара, жирные кислоты, аминокислоты и нуклеотиды.

Сахара имеют общую формулу C (H₂0)_rt, где п — целое число (от 3 до 7), например глюкоза.

Все сахара содержат гидроксильные, а также либо альдегидные, либо кетонные группировки. Взаимодействуя друге другом, моносахара могут образовывать ди-, триили олигосахариды. Сахара являются главным энергетическим субстратом клеток. Кроме того, они образуют связи с белками и липидами, а также являются строительными блоками при образовании более сложных биологических структур. Основными реакционноспособными группировками сахаров являются гидроксильные группы, участвующие, в частности, в образовании связей между мономерами.

Жирные кислоты содержат в своем составе углеродную цепь и гидрофильные карбоксильные группы, образующие амиды и эфиры. Как и углеводы, жирные кислоты являются источником энергии для организма. Но главное их значение связано с участием в образовании клеточных мембран. Свободные жирные кислоты обнаружены на границе раздела фаз липид—вода. Однако в организме чаще всего они этерифицированы или соединены с другими липидными структурами. В организме животных в наибольших количествах находятся пальмитиновая, олеиновая и стеариновая жирные кислоты. В растениях, кроме перечисленных, в больших количествах обнаружена также линолевая кислота.

Аминокислоты, находящиеся в биологических тканях, в основном используются для построения белковых макромолекул. Несмотря на различия в химическом строении, они содержат аминную и карбоксильную группы, соединенные с асимметричным атомом углерода. При помощи пептидных связей (гл. 2) они образуют длинные полипептидные цепи.

Нуклеотиды — трехкомпонентные структуры, состоящие из азотистых оснований, углевода и остатка фосфорной кислоты. Азотистые основания, в свою очередь, делятся на пуриновые и пиримидиновые, а сахар (пентоза) — на рибозу и дезоксирибозу. Нуклеотиды являются составными частями высокополимерных нуклеиновых кислот — носителей генетической информации в клетках.

Для определения роли той или иной молекулы в процессах жизнедеятельности необходимо знать все особенности ее строения. Устойчивость молекул обусловлена ковалентными связями между атомами, ее образующими. Биологическая значимость молекул определяется, в частности, их оптической активностью; это относится к молекулам, имеющим хиральные центры. Например, у аминокислот, образующих белки, к одному из атомов углерода присоединены четыре различные группы. В результате у аминокислот появляется такое свойство, как оптическая активность, выполняющая важную функциональную роль. Помимо оптической активности, весьма существенным является способность молекул принимать термодинамически наиболее выгодную конформацию. Химические свойства молекул зависят от того, является ли она плоской или имеет иную, например изогнутую, форму.

Из огромного числа органических соединений природа выбрала лишь некоторые молекулы для участия в процессах жизнедеятельности. Случаен ли этот выбор или он продиктован необходимостью, целесообразностью? Рассмотрим этот вопрос на конкретных примерах, на которые Д. Грин обратил внимание еще в 1968 г.

В качестве основного энергетического субстрата клетка использует D-глюкозу. Почему именно ее, а нс другое вещество? По-видимому, существенное значение имеет тот факт, что в глюкозе заключено большое количество энергии, она легко окисляется и хорошо растворяется в воде. Далее, шестиуглеродный моносахарид более стабилен, чем подобные молекулы с меньшим числом углеродных атомов и более реакционноспособен по сравнению с моносахаридами с большим числом углеродных атомов. Сравним D-глюкозу с близким по строению органическим веществом циклогексаном, также содержащим шестичленное углеродное кольцо.

Для циклогексана характерны как аксиальные, так и экваториальные атомы водорода, причем последние более выгодны. В глюкозе все атомы занимают экваториальное положение, что делает ее уникальной структурой, гораздо более стабильной по сравнению с родственными молекулами. По содержанию энергии жирные кислоты превосходят глюкозу в несколько раз, однако глюкоза, в отличие от жирных кислот, хорошо растворима в воде, легко доступна, и в этом ее неоценимое преимущество.

(D Таким образом, выбор глюкозы в качестве основного энергетического субстрата однозначно целесообразен.

При синтезе жирных кислот используется активированная уксусная кислота. Почему природа в качестве предшественника выбрала не однои не трех-, а именно двухуглеродную молекулу? Муравьиная кислота — олноуглеродное соединение — не годится из-за отсутствия концевой метильной группы, крайне необходимой для метаболизма жирных кислот. Трехуглеродные кислоты не обладают достаточной химической активностью для процессов конденсации. Двухуглеродные соединения — уксусная кислота СН₃СООН, этиловый спирт СН₃СН₂ОН и уксусный альдегид СН₃СНО — могут претендовать на роль исходных веществ при синтезе жирных кислот. Однако спирт не обладает необходимой химической активностью, а альдегид хотя и активен, но не стабилен.

[I" Таким образом, выбор уксусной кислоты был целесообразным именно по критерию химических свойств.

Ни одно вещество не может конкурировать с ней для построения крупных молекул путем конденсации. Выбор единственного, из многих подобных, вещества по критерию химических свойств для использования в биологических системах мы называем молекулярной целесообразностью живой материи.

Макромолекулы. Они имеют различную форму и строение, являясь неотъемлемой частью клеток, синтезируются из атомов и небольших молекул и играют основополагающую роль в процессах жизнедеятельности. Рассмотрим некоторые макромолекулы, которые определяют функции и метаболизм всех живых систем.

Нуклеиновые кислоты — информационные макромолекулы, состоящие из мононуклеотидов. В клетках содержится дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновые кислоты (РНК). ДНК — самая большая макромолекула в живых системах. Она состоит из многих тысяч пар нуклеотидов, соединенных друг с другом в определенной последовательности. Молекулы РНК по размеру много меньше, чем ДНК, однако их общее количество превышает ДНК. Для нуклеиновых кислот несвойственно многообразие функций, зато хранение и передача генетической информации является основой размножения и функционирования клеток.

Белки, напротив, обладают множеством функций. Они состоят из аминокислот, соединенных в генетически детерминированной последовательности, которая и определяет как структуру, так и функции данных макромолекул. Таким образом, белки являются тем инструментом, при помощи которого геном управляет всеми реакциями клеточного метаболизма.

Полисахариды — высокомолекулярные вещества, состоящие из повторяющихся структурных единиц. Отличаются друг от друга структурой моносахаридных звеньев, молекулярной массой, а также числам гликозидных связей. Благодаря наличию большого числа полярных групп, полисахариды после набухания растворяются в воде и образуют коллоидные растворы. Они присутствуют почти во всех клетках и выполняют многообразные функции. Велика их роль в образовании биологических структур. Так, хитин образует панцири членистоногих, целлюлоза является основной структурой зеленых растений, мукополисахариды — важнейшие компоненты соединительной ткани. Гликоген в животных, а крахмал в растительных организмах являются важнейшими резервными полисахаридами. Их делят на гомои гетерополисахариды. Примером гомополисахаридов может служить крахмал, состоящий из остатков только одного типа (глюкозы), а примером гетерополисахаридов — гиалуроновая кислота, которая состоит из остатков глюкуроновой кислоты, чередующихся с N-ацстилглюкозамином.

Липиды — сложные эфиры высших жирных кислот и глицерина. В состав некоторых из них входят фосфорная кислота, азотистые основания или углеводы. Они играют существенную роль в качестве структурных компонентов клетки, а также как энергетические субстраты. Физико-химические свойства липидов зависят от их полярности. Различают полярные и нейтральные липиды. Последние состоят из триацилглицеридов и входят в класс простых липидов. Полярные липиды — многокомпонентные вещества и относятся к сложным липидам.

Можно без преувеличения говорить о центральной роли воды в процессах эволюции и жизнедеятельности. Свыше 90% всей массы клеток приходится на долю воды. Однако ее значимость не только в количественных характеристиках. В воде растворены многие биологические вещества, и, будучи растворителем, вода определяет их свойства, например реакционноспособность. В условиях Земли нет такого вещества, физические свойства которого были бы так идеально приспособлены для нужд живых систем, как вода. Для молекул воды характерно сильное взаимное притяжение, обусловленное особенностями их строения (рис. 1.1).

Если молекулы или макромолекулы содержат заряженные группировки, то диполи воды образуют вокруг них гидратные оболочки. Такая вода называется связанной. Слой воды вокруг белка может достигать 1,5—2,0 нм, что существенно влияет на строение и свойства последнего. Таким образом, вода в организме присутствует в свободной и связанной формах. Большой интерес представляет структура воды при переходе в твердое состояние. В кристалле льда молекулы воды образуют гексагональную структуру. Предполагается, что именно льдообразная вода (рис. 1.2) поддерживает третичную структуру ряда макромолекул. Часть связанной воды локализована внутри надмолекулярных структур и также участвует в стабилизации конформации макромолекул.

Вода является идеальным растворителем для биологических структур по сравнению с другими жидкостями. Такие вещества, как монои полисахариды, спирты, альдегиды и кетоны, прекрасно растворяются в воде, но практически нерастворимы в органических растворителях. Это обусловлено высокой диэлектрической проницаемостью воды, состоящей из ассоциированных друг с другом диполей. Диэлектрическая постоянная для воды равна 80, а для органических растворителей — в 3—4 раза меньше. Это означает, что силы взаимодействия в веществах, растворенных в воде, во столько же раз меньше, чем в органических растворителях.

Рис. 1.1. Пространственная структура молекул волы: две молекулы воды соединены друг с другом при помощи водородной связи.

Рис. 1.2. Молекулы волы в кристалле льда: шесть молекул воды образуют гексагональную структуру.

Биологическая роль воды не ограничивается растворением тех или иных структур. Вода в клетках и тканях выполняет также транспортную функцию, участвует в образовании высших структур биологических макромолекул, является донором электронов и протонов в энергетическом обмене. Клеточный метаболизм зависит от баланса свободной и связанной воды. Нарушение этого соотношения приводит к тяжелым последствиям, вплоть до гибели клетки.