"Основные молекулы клетки. Свойства воды. Аминокислоты": Часть 1

Видео

Конспект

Что такое биохимия?

Биохимия – это наука о веществах и их превращениях, происходящих в клетках живых существ.

Биохимия изучает:

Низкомолекулярные вещества, обладающие относительно небольшой молекулярной массой (малые молекулы);

Высокомолекулярные вещества (биомакромолекулы) крупные вещества, многие из которых являются полимерами.

О низкомолекулярных веществах мы будем говорить не очень много, в основном обсуждая воду или мелкие составляющие более крупных молекул. Что отличает биохимию от обычной органической химии? Именно наличие крупных биомакромолекул, которые собираются в очень большие рабочие комплексы и выполняют определенные функции в клетках. Совокупность этих функций и есть жизнь клеток.

Основными биомакромолекулами, которые изучает биохимия, являются четыре группы:

белки;

углеводы;

липиды;

нуклеиновые кислоты.

Поскольку многие биомакромолекулы являются полимерами, введем ключевые термины и классификацию, которая пригодится в дальнейшем.

Полимер – большое соединение, которое можно разбить на множество маленьких частей. Эти маленькие части имеют повторяющийся элемент;

Мономер – минимальное звено, входящее в состав полимера. В зависимости от состава мономеров полимеры делятся на гомополимеры и гетерополимеры.

Гомополимеры – состоят из одинаковых мономеров.

Пример (линейный неразветвленный полимер): цепочка из множества соединенных друг с другом букв <<A>>: А-А-А-А-А-...

Гетерополимеры – состоят из мономерных звеньев, похожих принципиально, но чем-то отличающихся друг от друга.

Гетерополимеры, в свою очередь, подразделяются на регулярные и нерегулярные.

Регулярные гетерополимеры – можно выделить повторяющееся звено из нескольких разных мономеров;

Пример: линейный полимер из двух видов букв (А и Б), чередующихся в строгой последовательности: А-Б-А-Б-А-Б-...

Повторяющееся звено здесь – <<А-Б>>. Несмотря на наличие двух разных мономеров, есть четкая закономерность.

Нерегулярные гетерополимеры – в состав входят разные мономеры, но нет четкой закономерности в их последовательности;

Пример: Линейный полимер из тех же букв А и Б, но без видимого порядка: А-Б-Б-А-Б-А-А-Б-... Невозможно выделить даже крупное повторяющееся звено.

Из четырех групп биомакромолекул липиды – не являются полимерами, а белки, углеводы и нуклеиновые кислоты – являются полимерами.

Углеводы.

Бывают разными. Среди углеводов встречаются гомополимеры и регулярные гетерополимеры.

Функции в клетках: в основном энергетическая (запас энергии) или структурная (строительная).

Для этих функций часто не требуется большого разнообразия мономеров.

Нуклеиновые кислоты (НК).

Являются нерегулярными гетерополимерами.

Функция: кодирование наследственной информации.

Мономерами НК являются 4 вида нуклеотидов (условно <<буквы>> А, Т/У, Г, Ц). Они следуют друг за другом без строгой закономерности.

Именно последовательность этих <<букв>> кодирует наследственную информацию (как двоичный код из 0 и 1 в информатике, только <<алфавит>> состоит из 4 символов). Если бы в НК были постоянные повторяющиеся звенья, они не могли бы нести все разнообразие генетической информации живых организмов.

Белки.

Являются нерегулярными гетерополимерами.

Функции: наибольшее разнообразие среди всех биомакромолекул! Белки катализируют реакции, выполняют структурную, транспортную, защитную и множество других функций. Они – <<рабочие лошадки>> клетки.

Такое разнообразие функций требует огромного разнообразия химического состава и структуры белков. Мономерами белков являются аминокислоты (классически 20 видов). В разных белках эти 20 аминокислот могут следовать друг за другом в абсолютно разном порядке. Именно эта вариабельность последовательности обеспечивает огромное разнообразие структур и функций белков.

Вода - это очень важная молекула, так как жизнь на нашей планете возникла именно в воде. У воды по сравнению с другими химическими растворителями есть ряд свойств, которые очень важны для протекания процессов в живых клетках. Чтобы понять эти свойства, мы сначала поговорим о структуре молекулы воды, потом о свойствах молекулы воды, а затем о функциях молекулы воды в живых клетках.

Итак, молекула воды ( H_{2} O ) состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. У атома кислорода шесть электронов на внешнем электронном уровне. При этом четыре из этих электронов спарены, то есть они образуют две электронные пары, а два электрона неспарены это валентные электроны кислорода, и именно они участвуют в образовании связей с атомами водорода.

Молекула воды имеет угловую форму, потому что две неподелённые электронные пары кислорода занимают довольно много места и не дают молекуле быть линейной. Помимо этого, у молекулы воды есть еще одно очень важное свойство: неравномерное распределение зарядов внутри молекулы. Молекула воды обладает довольно сильным дипольным моментом. Это связано с тем, что у атомов кислорода и водорода довольно большая разница в электроотрицательности. Кислород – один из самых электроотрицательных атомов в таблице Менделеева, а электроотрицательность водорода очень низкая. Именно поэтому кислород стремится оттянуть на себя электронную плотность связей, которые он образует с двумя атомами водорода. Из-за этого на кислороде происходит скопление частично отрицательного заряда (обозначается греческой буквой \delta^{-} ). Мы не можем сказать, что это полный отрицательный заряд (как в ионных соединениях, например, в хлориде натрия NaCl , где хлор имеет полный заряд -1 , а натрий +1 ). Здесь кислород не оттягивает оба электрона от водородов полностью, а лишь смещает электронную плотность к себе. Поэтому мы говорим, что заряд на кислороде частично отрицательный. Соответственно, атомы водорода несут частично положительные заряды ( \delta^{+} ). Благодаря такой структуре молекулы воды отлично образуют определенный тип межмолекулярных взаимодействий, которые мы называем водородными связями. Так как на кислороде концентрируется частично отрицательный заряд ( \delta^{-} ), а на водородах – частично положительные заряды ( \delta^{+} ), то по законам электростатики частично отрицательный заряд кислорода одной молекулы может притягиваться к частично положительно заряженному атому водорода другой молекулы. Конечно, сила этого притяжения не такая большая, как в настоящих ионных связях (между целым плюсом и целым минусом). Но если в массе молекул воды водородных связей очень много, то общая суммарная энергия всех этих водородных связей довольно велика.

Если говорить о том, сколько максимально водородных связей может образовать одна молекула воды, нужно представить, что у молекулы воды есть два атома водорода (каждый может образовать водородную связь с кислородом другой молекулы) и атом кислорода с двумя неподелёнными электронными парами (каждая пара может электростатически притянуть водород от другой молекулы воды). То есть одна молекула воды максимально может образовать четыре водородных связи: две как донор (своими атомами водорода) и две как акцептор (своим атомом кислорода). Полностью все четыре водородные связи реализуются у всех молекул воды только в твердом состоянии – в состоянии льда. Именно поэтому лед обладает такой строгой, прочной кристаллической решеткой.

В жидкой воде молекулы более подвижны, что обеспечивает такое свойство жидкости, как текучесть. Молекулы воды постоянно <<перескакивают>> с места на место. Чтобы осуществить такой <<перескок>>, нужно разорвать какое-то количество водородных связей (возможно, даже все четыре) в конкретный момент времени. Но после того как молекула воды переместилась на новое место, она может образовать там новые четыре водородные связи. Поэтому если говорить про жидкое состояние воды и взять среднее количество водородных связей на одну молекулу воды в единицу времени, то это количество будет меньше четырех.

Что нам дает множество водородных связей между молекулами воды?

Очень высокую удельную теплоемкость воды, которая сильно выше, чем у похожих по формуле и строению химических веществ (например, H_{2} S ).

Довольно высокую температуру плавления льда и довольно высокую температуру кипения воды (испарения). Это связано с тем, что:

чтобы превратить лед в жидкую воду, надо разрушить часть водородных связей, чтобы увеличить подвижность молекул;

чтобы превратить воду в пар, нужно разрушить все водородные связи вокруг каждой улетающей молекулы, а так как связей много и их суммарная энергия велика, для этого требуется много тепла (высокая температура кипения).

Для живых организмов это означает, что из-за своей высокой теплоемкости вода медленно нагревается, но и медленно остывает.

Перепады температуры в воде воспринимаются живыми существами гораздо мягче, чем перепады температуры в воздухе. Собственно, это одна из причин, почему жизнь возникла именно в воде.

Какие другие свойства воды вытекают из наличия водородных связей?

Вода является хорошим растворителем для полярных молекул и для ионов.

Во-первых, вода может образовывать водородные связи с другими молекулами, содержащими электроотрицательные атомы (в биологии особенно важны кислород и азот). Если вода образует водородные связи с веществом, оно обычно растворимо в воде.

Во-вторых, вода отлично растворяет ионы. При попадании иона (например, катиона Na^{+} ) в воду диполи молекул воды ориентируются вокруг него следующим образом: частично отрицательные концы (кислород) смотрят на ион, частично положительные (водород) – наружу. Это называется гидратной оболочкой иона.

Вода является очень плохим растворителем для неполярных молекул, у которых нет неравномерного распределения зарядов. Неполярные молекулы мы называем гидрофобными (боящимися воды), так как они не растворяются в ней (например, нефть, другие углеводороды, липиды).

Что происходит, если в воду попадает гидрофобная молекула?

Присутствие гидрофобной молекулы снижает количество водородных связей, которые могут сформировать окружающие ее молекулы воды. Молекулы воды, находящиеся в непосредственном контакте с гидрофобной молекулой, не могут образовать все свои 4 водородные связи. Например, молекула воды, "смотрящая" на гидрофобную каплю своим атомом кислорода, может образовать связи только своими атомами водорода (только 2 связи). Молекула воды, касающаяся капли одним атомом водорода, может образовать связи своим кислородом и другим водородом (3 связи). В любом случае, это меньше четырех.

При попадании гидрофобного вещества в воду происходит проигрыш по энергии, так как молекулы воды формируют меньше связей. Молекулы воды переориентируются вокруг гидрофобной частицы так, чтобы минимизировать потерю водородных связей (большинство старается встать в положение, похожее на молекулу, потерявшую только одну связь).

Однако у молекул воды, непосредственно окружающих гидрофобную каплю, сильно снижается подвижность. Говорят, что вокруг гидрофобных частиц формируется своеобразная <<ледяная шуба>> , так как подвижность этих молекул воды снижена почти до уровня льда.

Наличие этой <<ледяной шубы>> объясняет гидрофобный эффект. Если в объем воды попадает несколько гидрофобных капелек (например, капли масла), они будут стремиться слиться друг с другом из-за следующих соображений.

Площадь поверхности <<ледяной шубы>> совпадает с площадью поверхности гидрофобной капли. Если две маленькие капли сливаются в одну большую того же суммарного объема, то площадь поверхности большой капли меньше, чем суммарная площадь двух маленьких капель.

Поэтому гидрофобные вещества, попадая в воду, стремятся минимизировать свою площадь контакта с водой, из-за чего больше контактируют друг с другом. Самое главное, запомнить, что нет специальной силы притяжения между гидрофобными молекулами; они просто <<выталкиваются>> водой, которая стремится сохранить свои водородные связи.

Функции воды в клетке.

Терморегуляторная функция. Благодаря высокой теплоемкости вода стабилизирует температуру внутри клетки и организма (медленно нагревается/остывает).

Растворитель. Отличный растворитель для полярных и заряженных молекул (ионов, сахаров, аминокислот и др.).

Участник химических реакций. Сама вода является реагентом во многих биохимических реакциях (например, гидролиз).

Транспортная функция. Является основной средой для транспорта веществ как внутри клетки (цитоплазма), так и во внеклеточной среде многоклеточных организмах (кровь, лимфа, сок растений). Например, плазма крови переносит питательные вещества, газы, гормоны.

Опорная (гидроскелетная) функция. Жидкости несжимаемы. Животные без твердого скелета (например, дождевые черви) используют полости, заполненные водой как гидроскелет для поддержания формы и движения.

Плохая электропроводность (чистой воды). Сама по себе чистая вода (из-за ориентации диполей в поле) плохо проводит электрический ток.