Липиды.

Строение. 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.

Жираминазываются сложные эфиры глицерола и жирных кислот. Глицерол – это трехатомный спирт – трехуглеродная молекула, у кото­рой к каждому атому углерода присоединено по одной гидроксильной (ОН) группе. Жирные кислоты могут взаимодействовать с ОН-группами. Это и приводит к образованию жиров.

Жиры гидрофобны: в их молекуле нет неравномерного распределения зарядов и у них нет полярных головок. Это означает, что они не образуют водородных связей с молекулами воды и, следовательно, гидрофобны. Три остатка жирной кислоты могут различаться как по длине цепи, так и по числу двойных связей.

Однако если одна из гидроксильных групп глицерола будет взаимодействовать не с жирной, а, к примеру, с фосфорной кислотой, а две другие – с жирными кислотами, мы получим амфифильный липид. Его молекула состоит из головы, роль которой играет фосфатная группа, и двух углеводородных хвостов (остатки жирных кислот). Фосфатная голова несет электрический заряд и, следовательно, она гидрофильна. Хвост же не растворим в воде. Специфическая способность этих соединений одновременно вступать как в гидрофильные, так и гидрофобные взаимодействия делает их идеальными компонентами биологических мембран.

 

 

Функции. 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.

При окислении жиров образуется вода и углекислый газ. Эта метаболическая вода очень важна для некоторых обитателей пустыни, в частности для кенгуровой крысы, которая использует запасенный ею жир именно для этой цели.

У некоторых животных (например, у китов, ластоногих) под кожей откладывается толстый слой подкожного жи­ра, который благодаря низкой теплопроводности защищает их от пе­реохлаждения, т. е. выполняет защитную функцию.

Некоторые липиды являются гормонами и принимают участие в регуляции физиологических функций организма.

Липиды, содержа­щие остаток фосфорной кислоты (фосфолипиды), служат важнейшей составной частью клеточных мембран, т. е. они выполняют струк­турную функцию.

 

Белки

Состав и строение белков. Белки – обязательная составная часть всех кле­ток. В состав этих биополимеров входят мономеры 20 типов. Таки­ми мономерами являются аминокислоты, которые получили свое на­звание потому, что содержат и аминогруппу (-NH₂), и кислотную карбоксильную группу (–СООН). Каждая из 20 аминокислот имеет одинаковую часть, включающую обе эти группы, и отличается от любой другой особой химической группировкой, так называемой R-группой, или радикалом.

Общая формула всех аминокислот, входящих в состав белков (красный цвет - аминогруппа, голубой – карбоксильная):

Н Н О

| | ║

Н—N—С—С—ОН или, в свернутой форме: NH₂—СН—СООН

| |

R R

Образование линейных молекул белков происходит в результате соединения аминокислот друг с другом. Карбоксильная группа од­ной аминокислоты сближается с аминогруппой другой, и при отщеп­лении молекулы воды между аминокислотными остатками возника­ет прочная ковалентная связь, называемая пептидной. Со­единение, состоящее из большого числа аминокислот, называется полипептидом. Каждый белок по своему химическому строению яв­ляется полипептидом. Некоторые белки состоят из нескольких по­липептидных цепей. В составе большинства белков находится в сред­нем 300-500 остатков аминокислот. Известно несколько очень ко­ротких природных белков, длиной в 10-13 аминокислот, и очень длинных биополимеров, длиной более чем в 1500 аминокислот.

В строении выделяют первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры белков.

Первичная структура (I) определяется порядком чередо­вания аминокислот в полипептидной цепи. Двадцать разных амино­кислот можно уподобить 20 буквам химического алфавита, из кото­рых составлены «слова» длиной в 300-500 букв. С помощью 20 букв можно написать безграничное множество таких длинных слов. Если считать, что замена или перестановка хотя бы одной бук­вы в слове "придает ему новый смысл, то число комбинаций в сло­ве длиной в 500 букв составит 20⁵⁰⁰.

Известно, что замена даже одного аминокислотного звена другим в белковой молекуле изменяет ее свойства. В каждой клетке содер­жится несколько тысяч разных видов белковых молекул, и для каж­дого из них характерна строго определенная последовательность ами­нокислот. Именно порядок чередования аминокислот в данной бел­ковой молекуле определяет ее особые физико-химические и биологические свойства. Исследователи умеют расшифровывать по­следовательность аминокислот в длинных белковых молекулах и син­тезировать такие молекулы.

В живой клетке многие молекулы белков или их отдельные уча­стки представляют собой не вытянутую нить, а спираль с одинако­выми расстояниями между витками. Такая спираль представляет со­бой вторичную структуру белковой молекулы (II). Между группами =N–Н и 0=С=, расположенными на соседних вит­ках, возникают водородные связи. Они намного слабее ковалентных, но, повторенные многократно, скрепляют регулярные витки спи­рали.

В результа­те взаимодействия различных остатков аминокислот спирализованная молекула белка образует клубок – третичную структуру (III). Этот клубок образован зако­номерным переплетением участков белковой цепи. Положительно и отрицательно заряженные R-группы аминокислот притягиваются и сближают даже далеко отстоящие друг от друга участки белковой цепи. Сближаются и иные участки белковой молекулы, несущие, на­пример, «водоотталкивающие» (гидрофобные) радикалы. Для каждого вида белка характерна своя форма клуб­ка с изгибами и петлями. Третичная структура зависит от первич­ной структуры, т. е. от порядка расположения аминокислот в цепи. Кроме того, в ее формировании могут принимать участие низкомолекулярные вещества небелковой природы (красная «таблетка» на схеме III).

Наконец, некоторые белки, например гемоглобин, состоят из не­скольких цепей, различающихся по первичной структуре. Объединя­ясь вместе, они создают сложный белок, обладающий не только тре­тичной, но и четвертичной структурой (IV).

Схема строения белковой молекулы.

I — первичная структура;

II — вторичная структура;

III — тре­тичная структура;

IV — четвер­тичная структура

Денатурация и ренатурация. Под действием ионизирующей радиации, высокой температуры, сильного взбалтывания, экстремальных значений рН, а также ряда органических растворителей, таких, как спирт или ацетон, белки из­меняют свое естественное состояние. Нарушение природной (нативной) структуры белка называют денатурацией. Подавляющее боль­шинство белков утрачивает при этом биологическую активность, хо­тя первичная структура их после денатурации не меняется. Дело в том, что в процессе денатурации нарушаются вторичная, третичная и четвертичная структуры, обусловленные слабыми взаимодействия­ми между аминокислотными остатками, а ковалентные пептидные, связи не разрываются. Необратимую денатурацию можно наблюдать при нагревании жидкого и прозрачного белка куриного яйца: он ста­новится плотным и непрозрачным. Денатурация может быть и об­ратимой. После устранения денатурирующего фактора многие белки способны вернуть естественную форму, т. е. ренатурироватъ.

Способность белков к обратимому изменению пространственной структуры в ответ на действие физических или химических факто­ров лежит в основе раздражимости – важнейшего свойства всех живых существ.

Функции белков

Белки – строительные материалы. Некоторые бактерии и все растения способны синтезировать все аминокислоты, из которых стро­ятся белки, используя для этого неорганические вещества: азот и углекислый газ воздуха, водород, полученный при расщеплении во­ды (за счет энергии света), неорганические вещества почвы. Живот­ные в процессе эволюции утратили способность осуществлять синтез десяти особенно сложных аминокислот, называемых незаменимыми. Они получают их в готовом виде с растительной и животной пи­щей. Такие аминокислоты содержатся в белках молочных продуктов (молоко, сыр, творог), в яйцах, рыбе, мясе, а также в сое, бобах и некоторых других растениях. В пищеварительном тракте белки рас­щепляются до аминокислот, которые всасываются в кровь и попа­дают в клетки. В клетках из готовых аминокислот строятся собст­венные белки, характерные для данного организма. Белки являют­ся обязательным компонентом всех клеточных структур, и в этом состоит их важная структурная роль.

Белки-ферменты. В каждой живой клетке происходят непрерыв­но сотни биохимических реакций. В ходе этих реакций идут рас­щепление и окисление поступающих извне питательных веществ. По­лученную вследствие окисления энергию питательных веществ и про­дукты их расщепления клетка использует для синтеза необходимых ей разнообразных органических соединений. Быстрое протекание та­ких реакций обеспечивают биологические катализаторы, или уско­рители реакций, – ферменты. Известно более тысячи разных фер­ментов. Все они белки.

Каждый фермент обеспечивает одну реакцию или несколько ре­акций одного типа. Например, жиры в пищеварительном тракте (а также внутри клеток) расщепляются специальным ферментом, кото­рый не действует на полисахариды (крахмал, гликоген) или на бел­ки. В свою очередь, фермент, расщепляющий только крахмал или гликоген, не действует на жиры. Каждая молекула фермента спо­собна осуществлять от нескольких тысяч до нескольких миллионов одинаковых операций в минуту. В ходе этих реакций ферментный белок не расходуется. Он соединяется с реагирующими веществами, ускоряет их превращения и выходит из реакции неизмененным.

Ферменты выполняют работу наилучшим образом только при оп­тимальной температуре (например, у человека и теплокровных жи­вотных при 37°С) и определенном значении рН (концентрации ионов водорода) в среде.

Процесс расщепления или синтеза любого вещества в клетке, как правило, разделен на ряд химических операций. Каждую операцию выполняет отдельный фермент. Группа таких ферментов составляет своего рода биохимический конвейер.

Регуляторные белки. Известно, что в специализированных клет­ках животных и растений производятся специальные регуляторы фи­зиологических процессов – гормоны. Часть гормонов (но не все) жи­вотных и человека являются белками. Так, белковый гормон инсу­лин (гормон поджелудочной железы) активирует захват клетками молекул глюкозы и расщепление или запасание их внутри клетки. Если не хватает инсулина, то глюкоза накапливается в крови в из­бытке. Клетки без помощи инсулина не способны ее захватить – они голодают. Именно в этом причина развития диабета – болез­ни, вызываемой недостатком инсулина в организме.

Гормоны выполняют важнейшую функцию в организме, управляя активностью ферментов. Так, инсулин активирует в клетках печени фермент, синтезирующий из глюкозы другое органическое вещест­во – гликоген, и ряд других ферментов.

Белки – антитела (защитные). На попадание бактерий или вирусов в кровь животных и человека организм реагирует выработкой спе­циальных защитных белков – антител. Эти белки связываются с чужеродными для организма белками возбудителей заболеваний, чем подавляется их жизнедеятельность. На каждый чужеродный белок – антиген организм вырабатывает специальные «антибелки» – анти­тела.

Антитела обладают удивительным свойством: среди тысяч разно­образных белков они узнают только свой антиген и только с ним реагируют. Такой механизм сопротивления возбудителям заболева­ний называют иммунитетом. Помимо антител, растворенных в крови, имеются антитела на поверхности специальных клеток, которые узнают и захватывают чужеродные клетки. Это клеточный иммуни­тет, обеспечивающий в большинстве случаев и уничтожение вновь возникающих раковых клеток.

Чтобы предупредить заболевание, людям и животным вводят ос­лабленные или убитые бактерии либо вирусы (вакцины), которые не вызывают болезнь, но заставляют специальные клетки организма про­изводить антитела против этих возбудителей. Если через некоторое время болезнетворная неослабленная бактерия или вирус попадают в такой организм, они встречают прочный защитный барьер из антител. Миллионы человеческих жизней спасены вакцинацией про­тив оспы, бешенства, полиомиелита, желтой лихорадки и других бо­лезней.

Илья Ильич Мечников (1845- 1916) – один из осново­положников сравнительной патологии, эво­люционной эмбриологии. Открыл явление фагоцитоза. Создал клеточную теорию им­мунитета. Лауреат Нобелевской премии.

Белки – источник энергии. Белки могут служить источником энергии для клетки. При недостатке углеводов или жиров окисля­ются молекулы аминокислот. Освободившаяся при этом энергия ис­пользуется на поддержание процессов жизнедеятельности организма.