1. Биологические полимеры (биополимеры).

Биологические по­лимеры — это органические соединения, входящие в состав клеток живых организмов и продуктов их жизнедеятельности.

Полимер (от греч. «поли» — много) — многозвеньевая цепь, в которой звеном является какое-либо относительно простое ве­щество — мономер. Мономеры, соединяясь между собой, обра­зуют цепи, состоящие из тысяч мономеров. Если обозначить тип мономера определенной буквой, например А, то полимер мож­но изобразить в виде очень длинного сочетания мономерных звеньев: А—А—А—А—...—А. Это, например, известные вам органические вещества: крахмал, гликоген, целлюлоза и др. Биополимерами являются белки, нуклеиновые кислоты, поли­сахариды. Свойства биополимеров зависят от строения их молекул: от числа и разнообразия мономерных звеньев, образующих по­лимер. Если соединить вместе два типа мономеров А и Б, то мож­но получить очень большой набор разнообразных полимеров. Строение и свойства таких полимеров будут зависеть от числа, соотношения и порядка чередования, т. е. положения мономе­ров в цепях. Полимер, в молекуле которого группа мономеров периодически повторяется, называют регулярным. Таковы, на­пример, схематически изображенные полимеры с закономерным чередованием мономеров:

...А Б А Б А Б А Б...

...А А Б Б А А Б Б...

...А ББАББАББ А...

Однако значительно больше можно получить вариантов по­лимеров, в которых нет видимой закономерности в повторяемо­сти мономеров. Такие полимеры называют нерегулярными.

Допустим, что каждый из мономеров определяет какое-либо свойство полимера. Например, мономер А определяет высокую прочность, а мономер Б — электропроводность. Сочетая эти два мономера в разных соотношениях и по-разному чередуя их, мож­но получить огромное число полимерных материалов с разны­ми свойствами. Если же взять не два типа мономеров (А и Б), а больше, то и число вариантов полимерных цепей значитель­но возрастет. Оказалось, что сочетание и перестановка нескольких типов мономеров в длинных полимерных цепях обеспечивает постро­ение множества вариантов и определяет различные свойства биополимеров, входящих в состав всех организмов. Этот прин­цип лежит в основе многообразия жизни на нашей планете.

2. Углеводы и их строение. В составе клеток всех живых ор­ганизмов широкое распространение имеют углеводы. Углевода­ми называют органические соединения, состоящие из углерода, водорода и кислорода. В большинстве углеводов водород и кис­лород находятся, как правило, в тех же соотношениях, что и в воде (отсюда их название — углеводы). Общая формула таких углеводов C_n(H₂0)_m. Примером может служить один из самых распространенных углеводов — глюкоза, элементный состав ко­торой С₆Н₁₂0₆ (рис. 2). Глюкоза является простым сахаром. Не­сколько остатков простых Сахаров соединяются между собой и образуют сложные сахара. В составе молока находится молоч­ный сахар, который состоит из остатков молекул двух простых Сахаров (дисахарид). Молочный сахар — основной источник энер­гии для детенышей всех млекопитающих. Тысячи остатков молекул одинаковых Сахаров, соединяясь между собой, образуют биополимеры — полисахариды. В соста­ве живых организмов имеется много разнообразных полисаха­ридов: у растений это крахмал (рис. 3), у животных — глико­ген, тоже состоящий из тысяч молекул глюкозы, но еще более ветвистый. Крахмал и гликоген играют роль как бы аккумуля­торов энергии, необходимой для жизнедеятельности клеток ор­ганизма. Очень богаты крахмалом картофель, зерна пшеницы, ржи, кукурузы и др.

Углеводы, или сахариды, — органические веще­ства с общей формулой С_п(Н₂0)_л, где п не меньше трех. Соотношение водорода и кислорода в формуле углево­дов аналогично их соотношению в молекуле воды, отсю­да их название. Наиболее богаты углеводами раститель­ные клетки, в которых содержание сахаридов достигает в некоторых случаях 90% от сухой массы (клубни кар­тофеля, семена), в животной клетке углеводы содер­жатся в количестве 2—5%. Все углеводы подраз­деляются на три группы: моносахариды, дисахариды и полисахариды. Несколько молекул моносахаридов, соединяясь между собой с выделением воды, образуют молекулу полисахарида, полимера: —

• моносахариды (простые сахара) подразделяют в зависимости от числа углеродных атомов в молеку­ле на: триозы, содержащие 3 атома углерода, тетрозы — 4, пентозы — 5, гексозы — 6 атомов углерода. Из триоз большое значение имеют глицерин и его про­изводные (молочная и пировиноградная кислоты). Из тетроз — эритроза. К пентозам относятся рибоза и дезоксирибоза, входящие в состав РНК и ДНК. Среди гексоз наибольшее значение для живых организмов имеют глюкоза, фруктоза и галактоза, их общая фор­мула С₆Н₁₂О_6. Моносахариды растворимы в воде. Они являются основным источником энергии в клетке. Окисление 1 г глюкозы дает 17,1 кДж энергии;

• дисахариды, олигосахариды состоят из двух мо­носахарид, соединенных гликозидной связью. К ним относятся сахароза, лактоза и мальтоза. Растворяются в воде, обладают сладким вкусом;

• полисахариды — высокомолекулярные углево­ды, состоящие из большого числа моносахаридов, их молекулярная масса велика, молекулы имеют линей­ную или разветвленную структуру. В функциональ­ном отношении различают полисахариды резервного и структурного назначения. Не растворимый в холод­ной воде крахмал — главный резервный полисахарид растений; содержится в большом количестве в клуб­нях картофеля, плодах, семенах. Гликоген — полиса­харид, содержащийся в тканях тела человека и живо­тных, а также в грибах и дрожжах, — играет важную роль в превращениях углеводов в клетках. Клетчат­ка (целлюлоза) — основной структурный полисаха­рид клеточных оболочек растений. В ней содержится почти 50% всего углерода биосферы. Полисахариды подразделяются на гомо- и гетерополисахариды. Первые состоят из моносахаридов толь­ко одного вида; вторые — из моносахаридов разных типов и их производных. Комплексы с белками имеют название гликопротеиды, с жирами — гликолипиды.

3. Функции углеводов: энергетическая, структурная, сигнальная (гликопротеид). Секреты различных желез животных и человека содержат углеводы и их про­изводные. В растениях полисахариды выполняют и опорную функцию.

4. Липиды Липиды и липоиды (греч. lipos — жир) — жиры и жироподобные вещества — органические соединения с различной структурой. Они не растворяются в воде, но хорошо растворяются в органических растворите­лях: эфире, бензине, хлороформе и др. Содержание жира в клетках обычно невелико, составляет 5—15% от су­хой массы, однако клетки жировой ткани могут содер­жать жира до 90% от сухой массы.

Липиды разнообразны по структуре. Всем им при­суще, однако, одно общее свойство: все они неполярны. Поэто­му они растворяются в таких неполярных жидкостях, как хло­роформ, эфир, но практически нерастворимы в воде. К липидам относятся жиры и жироподобные вещества. В клетке при окислении жиров образуется большое количество энергии, ко­торая расходуется на различные процессы. В этом заключается энергетическая функция жиров. Жиры могут накапливаться в клетках и служить запасным питательным веществом. У некоторых животных (например, у китов, ластоногих) под кожей откладывается толстый слой под­кожного жира, который благодаря низкой теплопроводности за­щищает их от переохлаждения. Некоторые липиды являются гормонами и принимают учас­тие в регуляции физиологических функций организма. Липи­ды, содержащие фосфор (фосфолипиды), служат важнейшей со­ставной частью клеточных мембран, т. е. они выполняют струк­турную функцию. По химической структуре липиды — соединения глицерина — трехатомного спирта с высокомолеку­лярными органическими кислотами (жирными), не имеют полимерной структуры:

Н₂С — О — остаток жирной кислоты

НС — О — остаток жирной кислоты

Н₂С — О — остаток жирной кислоты.

Функции липидов:

• структурная. Жиры участвуют в образовании мембран клеток всех органов и тканей, обеспечивают их полупроницаемость. Основные компоненты мемб­ран клеток — фосфолипиды. Это жироподобные веще­ства, у которых одна молекула жирной кислоты заме­щена на Н₂РО₄. Липиды участвуют в образовании многих биологи­чески важных соединений:

• энергетическая. При полном сгорании 1 г жира выделяется 38,9 кДж энергии, что примерно вдвое боль­ше по сравнению с углеводами и белками. Липиды обес­печивают 25—30% всей энергии, необходимой организму;

• резервная — проявляется в том, что, накапливаясь в клетках жировой ткани животных, семенах и плодах растений, жир служит запасным источником питания;

• терморегуляции эта функция связана с тем, что жиры плохо проводят тепло. Они откладываются под кожей, образуя у некоторых животных большие скопления (у китов до 1 м), что позволяет животным обитать в районах с низкой температурой. У многих млекопитающих существует своеобразный биологический «обогреватель» — жировая ткань бу­рого цвета, так называемый «бурый жир». Эта ткань очень богата митохондриями красно-бурой окраски из-за находящихся в них железосодержащих белков. В ней производится тепловая энергия, имеющая для мле­копитающих большое значение в условиях жизни при низких температурах. Жиры — поставщики так называемой эндогенной воды: при окислении 100 г жира выделяется 107 мл воды. Благодаря такой воде существуют многие пус­тынные животные;

• регуляции обменных процессов. Многие липиды являются предшественниками в биологическом синте­зе ряда гормонов и регуляторных веществ. Жиры вхо­дят в состав витаминов и растительных пигментов;

• защитная. Жиры могут защищать нежные орга­ны от ударов и сотрясений (например, околопочечная капсула, жировая подушка около глаз). Жироподобные вещества покрывают тонким слоем листья растений, обеспечивая им защиту во время обильных дождей от избыточного намокания.

Лекция №5

Тема: Биополимеры. Белки и их функции

План

1. Состав белков

2. Строение белков

3. Функции белков

1. Белки (протеины, от греч. protos —первый, главный) — нерегулярные, или информационные, полимеры, мономе­рами которых являются аминокислоты. Несмотря на огромное разнообразие, сложность и уникальность бел­ков, в их состав входят 20 видов аминокислот, представляющих собой амфотерные соединения. Кислотные свойства аминокислот определяются карбоксильной груп­пой, щелочные — аминогруппой NH₂. Эти группы, при­соединенные к одному и тому же атому углерода, у всех видов аминокислот одинаковые. Участки молекул, ле­жащие вне амино- и карбоксильной групп, которыми от­личаются аминокислоты, называются радикалами (R).

Аминокислоты, входящие в состав белков, называют­ся протеиногенными. По строению боковой цепи (R) ами­нокислоты разделяются на 7 групп: 1) алифатические нейтральные: глицин, аланин, валин, изолейцин; 2) али­фатические гидроксиаминокислоты: серии, треонин; 3) серосодержащие: цистеин, метионин; 4) кислые ами­нокислоты и их амиды: аспарагиновая кислота, аспарагин, глутаминовая кислота, глутамин; 5) основные: | лизин, аргинин, гистидин; 6) ароматические и гетероароматические: фенилаланин, тирозин, триптофан; 7) ами­нокислоты — пролин.

Незаменимые аминокислоты — это те, которые обя­зательно должны входить в рацион животных и людей, поскольку животные организмы не способны их синтезировать. К ним относятся: триптофан, метионин, лизин и пр.

2. В строении молекулы белка различают первичную, вто­ричную, третичную и четвертичную структуры:

• первичная структура — линейная, она опре­деляется порядком чередования аминокислот в цепи, соединенных между собой пептидными связями. Аминогруппа одной аминокислоты соединяется с карбоксильной группой другой аминокислоты, при со­единении их выделяется молекула воды. Все связи в первичной структуре между аминокислотами являются ковалентными и, следовательно, прочными. Двадцать разных аминокислот можно уподобить 20 буквам химического алфавита, из которых состав­ляются «слова» длиной 300—500 букв. С помощью 20 букв можно написать безграничное число слов По­рядок чередования аминокислот в каждой белковой молекуле определяет ее особые, специфические физико-химические и биологические свойства, что, в свою оче­редь, обусловливает несовместимость белков даже близкородственных организмов;

• вторичная структура, спиральная, формиру­ется посредством образования водородных связей меж­ду остатками карбоксильной и аминогрупп разных аминокислот, составляющих линейную, первичную струк­туру. Молекулы белка, имеющие вторичную структу­ру, уже способны выполнять определенные специфи­ческие функции, например движение осуществляют сократительные белки;

• третичная структура, шарообразная, или гло­булярная, образуется благодаря взаимодействию ради­калов, которые содержат серу. Атомы серы двух ами­нокислот, находящиеся на некотором расстоянии друг от друга в полипептидной цепи, соединяясь, образуют дисульфидные (S — S) связи;

• четвертичная структура представляет собой объединение в одну структуру нескольких молекул с третичной организацией. Пример такой организации — гемоглобин, его молекулы состоят из четырех связан­ных между собой молекул, каждая из которых связа­на с соседней железосодержащим гемом, и инсулин — гормон поджелудочной железы, включающий в себя две полипептидные цепи.

Глобулярными называются белки, пептидные цепи которых на уровне четвертичной структуры уложены в виде клубков или шариков.

Фибриллярные белки образованы полипептидными цепями, уложенными в пучки нитей.

По своему составу белки делятся на простые и слож­ные:

• простые белки состоят из одних аминокислот. Например, растительные белки — проламины, они со­держатся в клейковине семян злаков, не растворяются в воде; альбумины и глобулины — белки кровяной плаз­мы;

• сложные белки помимо аминокислот имеют в сво­ем составе другие органические соединения (нуклеи­новые кислоты, липиды, углеводы), соединения фос­фора, металлы. Соответственно они носят названия: нуклеопротеидов, липопротеидов, гликопротеидов, фосфо- и металлопротеидов.

Денатурация белка — утрата белковой молекулой структурной организации (лат. denaturare — лишить природных свойств) под влиянием обезвоживания, рез­кого изменения рН среды или температуры, облуче­ния. Белки могут полностью восстанавливать свою структуру (ренатурация) в тех случаях, когда не про­изошло разрушение первичной структуры молекулы и восстановились нормальные условия среды.