Author: Ленинджер А.
Tags: материальные основы жизни биохимия молекулярная биология биофизика общая биохимия
Year: 1985
Text
А. Ленинджер
ОСНОВЫ
БИОХИМИИ
А. Ленинджер
ОСНОВЫ БИОХИМИИ
1-767
Albert L.Lehninger
PRINCIPLES
OF BIOCHEMISTRY
The Johns Hopkins University
School of Medicine
Worth Publishers, Inc.
А. Ленинджер
ОСНОВЫ
БИОХИМИИ
В ТРЕХ ТОМАХ
1
Перевод с английского
канд. физ-мат. наук В.В.Борисова,
канд. биол. наук М.Д. Гроздовой
и
канд. мед. наук С. Н. Преображенского
под редакцией
акад. В. А. Энгельгардта
и
проф. Я. М. Варшавского
МОСКВА «МИР» 1985
УДК 577.1
Л44
ББК 28.072
Ленинджер А.
Л44 Основы биохимии: В 3-х т. Т. 1. Пер. с англ.-М.: Мир,
1985.-367 с, ил.
Имя крупного американского биохимика А. Ленинджера уже известно советским читателям по
его книге «Биохимия», выпущенной в русском переводе издательством «Мир» в 1974 г. Новая
книга представляет собой фундаментальное учебное пособие, предназначенное для изучения ос-
основ биологической химии.
Главная задача автора - объяснение молекулярной логики биологических систем, позволяющей
понять основы функционирования живых организмов. В русском переводе книга выходит в грех
томах.
Первый том посвящен молекулам, образующим химическую основу живой природы. Последо-
Последовательно рассмотрены следующие вопросы: роль воды в организме, структура и функции ами-
аминокислот, пептидов, белков, ферментов, витаминов, микроэлементов, углеводов и липидов.
Предназначена для биологов разиых специальностей, медиков, а также студентов и всех лиц, ин-
интересующихся молекулярными основами процессов жизнедеятельности.
_ 2001040000-218 „ 1ОО. ББК 28 072
Л сводный план 1985 г. ььк ¦">•"'¦'
041@1)-1985 57.04
Редакция биологической литературы
§1982 by Worth Publishers, Inc.
Перевод на русский язык, «Мир», 1985
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРОВ ПЕРЕВОДА
Имя автора «Основ биохимии», круп-
крупного американского ученого и педагога,
профессора Университета Дж. Гопкинса
Альберта Л. Ленинджера хорошо из-
известно советскому читателю по русским
переводам его учебника биохимии
и книг по биоэнергетике, получившим
широкое распространение и признание
в нашей стране.
Главная цель, которую поставил
перед собой А. Ленинджер при написа-
написании этого нового учебника, состояла не
столько в том, чтобы сообщить читате-
читателю конкретную информацию о структу-
структурах и механизмах, обеспечивающих
функционирование живых организмов
(хотя такая информация составляет ос-
основное содержание книги), сколько
в том, чтобы разъяснить ему общие
принципы, лежащие в основе процессов
жизнедеятельности. Совокупность этих
принципов автор называет «молекуляр-
«молекулярной логикой живого». Эта цель А. Ле-
Ленинджера вытекает из его обшей точки
зрения на роль биохимии в системе со-
современного образования, к которой он
пришел в последние годы. По мнению
А. Ленинджера, наступило время, когда
вводный курс биохимии должен быть
включен в программу не только биоло-
биологических и медицинских, но и других
факультетов высших учебных заведений.
Обоснованием этой далеко не общепри-
общепринятой и на первый взгляд даже неожи-
неожиданной точки зрения может служить то,
что вводный курс биохимии позволил
бы студентам понять молекулярные ос-
основы жизни и составить благодаря это-
этому ясное представление о тех кон-
конкретных путях, которыми живая приро-
природа решает целый ряд практически
важных задач, стоящих перед химиками,
физиками и инженерами. Но все же
главное значение вводного курса биохи-
биохимии определяется тем местом, которое
занимает комплекс биологических наук
в современном естествознании, и той
ролью, которую должна играть биоло-
биология в научном воспитании молодых лю-
людей. Только знание биологических зако-
законов поможет им в полной мере оценить
значение важнейшей проблемы, стоящей
сейчас перед человечеством,-сохранения
живой природы и здоровья людей. По-
Понимание этих законов должно стать до-
достоянием не только специалистов био-
биологического профиля, но и всех образо-
образованных и мыслящих людей.
Особое значение в этой ситуации при-
приобретает, естественно, задача создания
руководства по биохимии, в котором ма-
материал излагался бы в ясной и доходчи-
доходчивой форме, но вместе с тем на высоком
научном уровне. Это задача исключи-
исключительной трудности. Тем не менее А. Ле-
нинджеру, как нам кажется, удалось ре-
решить ее-написанная им книга «Основы
биохимии» является великолепным
учебным пособием, удовлетворяющим
самым строгим требованиям. Важное до-
достоинство книги состоит в систематично-
систематичности и четкости изложения материала, ха-
характеризующих автора как прекрасного
педагога,-его язык лаконичен, все фор-
формулировки ясны и продуманны, внима-
внимание читателя постоянно обращено на ос-
основные принципы, а не на второсте-
второстепенные детали. Заслуживает похвалы
и высокий научный уровень книги - в ней
учтены самые последние достижения
биохимии и смежных наук (вплоть до
1981-82 гг.).
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРОВ ПЕРЕВОДА
При всей привлекательности идеи
А. Ленинджера о целесообразности
включения большого вводного курса
биохимии в учебные программы высших
учебных заведений небиологического
и немедицинского профиля, едва ли, как
нам кажется, ее удастся реализовать, по
крайней мере в ближайшие годы, хотя бы
потому, что эти программы в настоящее
время и без того перегружены и ну-
нуждаются в сокращении. Но уже тот факт,
что эта идея породила такую прекрасную
книгу как «Основы биохимии», вполне
оправдывает ее.
Можно не сомневаться в том, что эта
книга окажется очень полезной не только
для широкого круга читателей, изучаю-
изучающих или преподающих биохимию, но
и для лиц, активно работающих в этой
области и желающих систематизировать
свои знания. Она окажется «находкой»
и для людей других специальностей, ин-
интересующихся современным состоянием
этой быстро развивающейся науки.
В русском издании «Основ биохимии»
мы сочли целесообразным распределить
материал книги по трем томам. Перевод
выполнен В. В. Борисовым (гл. 1 и 5-8),
М.Д. Гроздовой (предисловие, гл. 24,25),
М.Г. Дуниной (гл. 13-20, 22 и 23),
С. Н. Преображенским (гл. 2-4, 9-12, 21
и 26) и В. Г. Горбулевым (гл. 27-30, при-
приложения и словарь терминов).
В. А. Энгелъгардт
Я.М. Варшавский
Посвящается Джен
ПРЕДИСЛОВИЕ
Книга «Основы биохимии» адресована
в первую очередь студентам, впервые
приступающим к изучению биохимии.
Это новая книга, а не просто осовреме-
осовремененный вариант моих прежних учебников
«Биохимия» A970, 1975) и «Краткий курс
биохимии» A973). Первоначально я наме-
намеревался подготовить новые издания этих
учебников, но постепенно убеждался
в том, что едва ли они будут соответство-
соответствовать поставленным целям. В самом деле,
первое издание «Биохимии», опублико-
опубликованное в 1970 г., предназначалось
главным образом для студентов, ко-
которым предстояло прослушать первый и,
может быть, единственный в своей жизни
курс биохимии. Когда учебник был пере-
переиздан в 1975 г., его объем увеличился бо-
более чем на 20? „. Если бы при подготовке
третьего издания я сделал бы аналогич-
аналогичную попытку включить в него новые до-
достижения биохимии, то объем книги со-
составил бы не менее 1500 страниц.
Разумеется, такой учебник мог бы сы-
сыграть важную роль в преподавании био-
биохимии, однако он не вполне отвечал бы
потребностям той студенческой аудито-
аудитории, для которой преимущественно была
написана «Биохимия». «Основы биохи-
биохимии»-это возвращение к моей первона-
первоначальной цели; если угодно, это возрожде-
возрождение первого издания «Биохимии», дати-
датируемое 1982 годом.
Дело не только в объеме книги. Насту-
Наступило время, когда один учебник биохи-
биохимии уже не может ответить каждому сту-
студенту на все вопросы. Полный курс,
содержащий описание всех аспектов со-
современной биохимии на таком уровне,
который удовлетворял бы студентов,
специализирующихся в области биохи-
биохимии, безусловно, производил бы отпуги-
отпугивающее впечатление на большинство из
тех, кому предстоит впервые познако-
познакомиться с этим предметом. Кроме того,
известно, что при переиздании учебников
их структура обычно усложняется,
а текст становится более насыщенным,
и в результате нередко исчезает та яс-
ясность изложения, которая обеспечивала
успех первым изданиям. По-видимому,
лучше всего попытаться написать учеб-
учебник заново.
Одно время я считал, что биохимию
следует преподавать студентам старших
курсов после тщательного изучения ими
химии и биологии. Сегодня я придержи-
придерживаюсь другой точки зрения. Преподава-
Преподавание биохимии нужно начинать гораздо
раньше, поскольку она объединяет все
науки о живом и ее изучение способ-
способствует лучшему пониманию любой обла-
области биологии. И не только биологии-
преподавание начального курса биохи-
биохимии студентам химических и физических
факультетов дает возможность на увле-
увлекательных примерах пояснить, как
в живых организмах решаются неко-
некоторые фундаментальные проблемы,
стоящие перед физикой и химией.
В более широком плане студенческий
курс биохимии вносит также вклад в под-
подготовку молодежи к будущему, связанно-
связанному с постоянно возрастающим беспокой-
беспокойством о здоровье и благополучии всего
человечества. Поразительные успехи
биохимической генетики и генетической
инженерии наряду с социальными по-
последствиями их использования уже стали
предметом широкого общественного
внимания и интереса. Мы становимся
также свидетелями того, как рост наро-
народонаселения, а соответственно и увеличе-
увеличение потребностей в продуктах питания,
сырье и энергии нарушают тонко сбалан-
сбалансированные экологические равновесия
ПРЕДИСЛОВИЕ
в биосфере. Обществу во все возрастаю-
возрастающей мере приходится принимать ответ-
ответственные решения в конфликтных ситуа-
ситуациях, возникающих при столкновении
интересов политического, экономическо-
экономического и этического характера с биологиче-
биологическими законами. Можно, следовательно,
утверждать, что знание биохимии полез-
полезно любому образованному человеку, не-
независимо от рода его деятельности; я уже
не говорю о том особом интеллектуаль-
интеллектуальном удовольствии, которое дает изучение
этого предмета человеку, желающему уз-
узнать и понять, какие молекулярные взаи-
взаимодействия лежат в основе жизнедея-
жизнедеятельности.
Предлагаемая читателю книга состоит
из четырех частей: биомолекулы, био-
биоэнергетика и метаболизм, вопросы био-
биохимии человека и основы молекулярной
генетики. Она написана в том же стиле,
что и «Биохимия». Излагая материал,
я стремился не столько к энциклопедиче-
энциклопедическому охвату всех деталей, сколько к вы-
выявлению основы и молекулярной логики
биохимии; однако процессы, имеющие
фундаментальное значение, раскрыты во
всей полноте и подробностях.
Книга начинается с глав, посвященных
структуре клеток и важнейшим принци-
принципам органической химии, относящимся
к биомолекулам; материал, изложенный
в этих главах, может оказаться полезным
для тех, кто недостаточно подготовлен
по биологии и органической химии. По-
После рассмотрения свойств воды подроб-
подробно описываются структура и биологиче-
биологические функции белков. На примере гемо-
гемоглобина детально показано, как амино-
аминокислотная последовательность опреде-
определяет его конформацию и как конформа-
ция белковых макромолекул может
влиять на структуру и функцию клеток.
Далее подробно рассматриваются фер-
ферменты и способы регуляции их активно-
активности, причем постоянно подчеркивается
значение трехмерной структуры белка
и для иллюстрации приводится целая
«галерея» структур ферментов.
Первая часть книги завершается глава-
главами, посвященными витаминам и кофер-
ментам, углеводам, а также липидам
и мембранам.
Во второй части рассматриваются
биоэнергетика и метаболизм клеток-
«основное блюдо» биохимии. После из-
изложения принципов клеточной био-
биоэнергетики следует детальное описание
гликолиза, цикла трикарбоновых кислот,
транспорта электронов и окислительного
фосфорилирования. Далее идут главы,
в которых рассматривается катаболизм
жирных кислот и аминокислот, а затем
главы, посвященные биосинтетическим
процессам и фотосинтезу. Подробно об-
обсуждаются метаболические последова-
последовательности и принципы их регуляции.
Третья часть книги посвящена биохи-
биохимии человека. Она состоит из глав,
в которых анализируются взаимосвязи
между различными органами в процес-
процессах метаболизма, рассматриваются воп-
вопросы, касающиеся эндокринной регуля-
регуляции и питания человека. С моей точки
зрения, проблема питания не сводится
к знанию того, что тот или иной витамин
входит в состав того или иного кофер-
мента. Наука о питании-это один из
самых важных вкладов биохимии
в благосостояние человечества и, по мое-
моему убеждению, она требует более обо-
обобщенного, интегративного подхода, чем
получала до сих пор.
В четвертой части книги я особенно
подробно останавливаюсь на наиболее
острых вопросах молекулярной генети-
генетики; здесь рассмотрены самые последние
данные в этой области (по 1981 год вклю-
включительно), в том числе методы клониро-
клонирования ДНК.
На протяжении всей книги приводится
большое число любопытных сведений из
смежных областей; одни из них касаются
истории науки, другие-медицины,
третьи-зоологии и физиологии жи-
животных, сельского хозяйства и науки
о питании, проблем охраны окружающей
среды и обеспечения человечества про-
продуктами питания. В некоторых местах
в книгу включены небольшие разделы,
содержащие информацию о более
сложных вопросах и количественных за-
зависимостях, а также о некоторых лю-
любопытных проблемах частного характе-
характера. Поскольку этот материал необязате-
необязателен для общего курса биохимии, он
ПРЕДИСЛОВИЕ
приводится в виде дополнений и четко
выделен. Из таких дополнений можно
почерпнуть сведения, например, о пре-
преобразовании уравнения Хендерсона—
Хассельбальха, RS-системе, определении
возраста человека на основе химии ами-
аминокислот или о способах установления
нуклеотидной последовательности ДНК.
Книга включает почти 850 рисунков,
таблиц, схем и фотографий. Каждая гла-
глава завершается кратким заключением
и списком рекомендуемой и цитирован-
цитированной литературы. В конце книги имеется
достаточно полный словарь биохимиче-
биохимических терминов (более 400 слов).
Особо следует отметить помещенные
в конце каждой главы вопросы и задачи
общим числом более 350; большую часть
их составил Поль ван Эйкерен из Кол-
Колледжа Харви Мадда. Цель этих вопросов
и задач состоит не просто в том, чтобы
читатель произвел какие-то вычисления.
Они призваны фокусировать его внима-
внимание на внутренних связях биохимических
процессов; некоторые из них требуют
весьма вдумчивого анализа. Все вопросы
и задачи, а также ответы к ним были тща-
тщательно просмотрены опытными препода-
преподавателями общего курса биохимии.
Представляя эту книгу на суд читате-
читателей, я по-прежнему буду приветствовать
любые предложения и критические заме-
замечания преподавателей, и студентов.
Благодарности
Я глубоко признателен тем, кто помо-
помогал мне в подготовке этой книги. Прежде
всего я должен поблагодарить Поля ван
Эйкерена за составление большинства
вопросов и задач, а также ответов к ним.
Карл Шонк из Центрального университе-
университета штата Мичиган скрупулезно проверил
все вопросы и задачи, а также ответы
'и дал ряд полезных советов, как повы-
повысить их дидактическую ценность. Я хотел
бы поблагодарить также Барбару Сол-
нер-Уэбб из Медицинской школы Джон-
Джонса Гопкинса за составление вопросов
и задач для глав по биохимической
генетике.
Эдвард Хэррис из Техасского универ-
университета, Джеймс Хейгман из Университе-
Университета штата Нью-Мексико и Карл Шонк
критически и подробно рассмотрели весь
текст как в черновом, так и в окончатель-
окончательном варианте. Отдельные разделы руко-
рукописи были также внимательно прочи-
прочитаны Норманом Сэнсингом из Универси-
Университета Джорджии, Джеймсом Бамбургом
из Университета штата Колорадо, Ми-
каэлом Дамусом из Калифорнийского
университета в Дэвисе, а также Полем
Инглундом и Барбарой Соллнер-Уэбб из
Медицинской школы Джонса Гопкинса.
Кейт Роберте из Института Джона Инне-
са дал полезные советы относительно ил-
иллюстраций к первым главам. Джоффри
Мартин тщательно проверил правиль-
правильность всех приведенных в книге уравне-
уравнений и структурных формул, а Линда
Хэнсфорд прочитала корректуру и соста-
составила предметный указатель. Однако вся
ответственность за возможные фактиче-
фактические ошибки или неправильную интер-
интерпретацию данных лежит целиком на мне.
Я особенно признателен Пегги Джейн
Форд, которая не только перепечатывала
(причем неоднократно) рукопись книги,
но и помогала мне распределить время
и внимание между такими конкурирую-
конкурирующими моими обязанностями, как препо-
преподавание, научные исследования, админи-
административная деятельность и подготовка
книги. Я хотел бы также поблагодарить
сотрудников издательства «Уорт Пабли-
Паблишере» Джун Фокс и в особенности Сэлли
Андерсон, которые редактировали книгу
и отвечали за все этапы ее производства.
Приношу также благодарность всем со-
сотрудникам издательства «Уорт Пабли-
Паблишере» за их сочувствие, поддержку
и практическую помощь. Едва ли можно
было лучше отнестись к автору при вы-
выпуске его детища в свет.
В заключение я должен выразить глу-
глубокую признательность за неоценимую
помощь и постоянное сочувствие моей
жене, которая не только относилась с по-
пониманием к тем длительным творческим
мукам, которые составляют удел автора
толстой книги, но и была также самым
тонким критиком стиля и языка.
Альберт Л. Ленинджер
Спаркс, Мэриленд
Январь, 1982 г.
ЧАСТЬ I
БИОМОЛЕКУЛЫ
Около 20 миллиардов лет назад про-
произошел сверхмощный взрыв, и все про-
пространство заполнилось раскаленными
субатомными частицами с очень высокой
энергией. Так возникла Вселенная. По-
Постепенно, по мере остывания Вселенной,
из этих элементарных частиц сформиро-
сформировались положительно заряженные ядра,
к которым стали притягиваться отрица-
отрицательно заряженные электроны. Таким пу-
путем образовалось около сотни или не-
несколько более химических элементов. Все
атомы, присутствующие сегодня во Все-
Вселенной, в том числе и атомы, входящие
в состав живых организмов, возникли
в результате этого «большого взрыва»,
так что и мы, люди, и вообще все живые
существа созданы из звездной пыли.
Простые органические соединения, из
которых построены все организмы, при-
присущи лишь живой природе и в совре-
современных земных условиях являются про-
продуктами только биологической активно-
активности. Эти соединения, называемые биомо-
биомолекулами, играют роль строительных
блоков при образовании биологических
структур; они были отобраны в ходе био-
биологической эволюции благодаря их при-
пригодности к выполнению строго опреде-
определенных функций в живых клетках. Во всех
организмах эти соединения одинаковы.
Биомолекулы связаны между собой
и взаимодействуют в соответствии с пра-
правилами «молекулярной игры»-молеку-
игры»-молекулярной логики живого состояния. Раз-
Размеры, форма и химические свойства
биомолекул позволяют им не только слу-
служить строительными блоками при созда-
создании сложной структуры клеток, но и уча-
участвовать в непрекращающихся процессах
превращения энергии и вещества. Биомо-
Биомолекулы следует рассматривать, таким
образом, с двух точек зрения-химиче-
зрения-химической и биологической. Биохимия-это су-
суперхимия, т. е. химия наиболее высокоор-
высокоорганизованной материи.
Межзвездный газ и пыль в созвездии Стрельца
В межзвездном пространстве присутствует
большое число простых органических соедине-
соединений, которым приписывают роль предшествен-
предшественников биомолекул, существующих на Земле и,
как знать, быть может, еще где-нибудь во
Вселенной.
ГЛАВА 1
БИОХИМИЯ-МОЛЕКУЛЯРНАЯ
ЛОГИКА ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ
Объекты живой природы состоят из
«неживых» молекул. Если эти молекулы
выделить и каждый их вид исследовать
в отдельности, то можно убедиться, что
они подчиняются всем законам физики
и химии, описывающим поведение неоду-
неодушевленной материи. Тем не менее живые
организмы обладают необычными свой-
свойствами, отсутствующими в скоплениях
неживых молекул. Если мы поближе по-
познакомимся с этими особыми свойства-
свойствами, то нам станут более понятны те ос-
основные вопросы, ответы на которые
пытается найти биохимия.
1.1. Для живой материи
характерны некоторые
отличительные особенности
Одна из наиболее примечательных
особенностей живых организмов-это их
сложность и высокая степень организа-
организации. Они характеризуются усложненным
внутренним строением и содержат мно-
множество различных сложных молекул.
Живые организмы представлены мил-
миллионами разных видов, тогда как окру-
окружающая нас неживая материя - глина, пе-
песок, камни, вода-состоит из неупорядо-
неупорядоченных смесей сравнительно простых
химических соединений.
Вторая особенность живых организ-
организмов заключается в том, что любая со-
составная часть организма имеет специаль-
специальное назначение и выполняет строго
определенную функцию. Это относится
не только к макроскопическим структу-
структурам и, в частности, к органам, таким, как
сердце, легкие или мозг, но и к микроско-
микроскопическим внутриклеточным структурам,
таким, как клеточное ядро. Даже индиви-
индивидуальные химические соединения, содер-
содержащиеся в клетке, например белки или
липиды, наделены специальными функ-
функциями. Поэтому вполне правомерен во-
вопрос о том, для какой цели понадобилась
живому организму та или иная молекула
или химическая реакция, тогда как спра-
спрашивать о функции различных химиче-
химических соединений, входящих в состав не-
неживой материи, абсолютно бессмыс-
бессмысленно.
Третья особенность живого, благодаря
которой мы ближе подходим к сути жиз-
жизненных процессов, состоит в том, что
живые организмы обладают способ-
способностью извлекать, преобразовывать и ис-
использовать энергию окружающей их
среды-либо в форме органических пита-
питательных веществ, либо в виде энергии
солнечного излучения. Эта энергия по-
позволяет организмам создавать соб-
собственные богатые энергией сложные
структуры и поддерживать их целост-
целостность. Кроме того, за счет этой энергии
организмы выполняют механическую ра-
работу при передвижении; она также дает
возможность осуществлять перенос раз-
различных веществ через мембраны. Живые
организмы никогда не бывают в состоя-
состоянии равновесия-это касается как процес-
процессов, идущих в самих организмах, так и их
взаимодействия с окружающей средой.
Неживая материя, напротив, неспособна
к целенаправленному использованию
энергии для поддержания своей струк-
структуры и выполнения работы. Предоста-
Предоставленная самой себе, она постепенно раз-
ГЛ. 1. БИОХИМИЯ-МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЛОГИКА ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ
13
Рис. 1-1. Некоторые характерные особенности
живой материи-«признаки жизни». А. Попе-
Поперечный срез фотосинтезирующей клетки, на ко-
котором видна ее тонкая и сложная структура:
темные образования - это хлоропласты, содер-
содержащие тысячи молекул хлорофилла, ориентиро-
ориентированных так, чтобы они могли улавливать со-
солнечную энергию. Б. Длинный хоботок бабочки
бражника в результате длительной биологиче-
биологической эволюции оказался приспособленным к из-
извлечению нектара из цветков с длинным растру-
раструбом. В. Дельфины, питающиеся мелкой рыбой,
преобразуют химическую энергию пищевых
продуктов в мощные импульсы мышечной энер-
энергии. Г. Биологическое сомовоспроизведение
происходит с почти идеальной точностью.
рушается и со временем переходит
в неупорядоченное состояние; при этом
устанавливается равновесие с окружаю-
окружающей средой.
Но самая поразительная особенность
живых организмов-это их способность
к точному самовоспроизведению-свой-
самовоспроизведению-свойство, которое можно считать поистине
квинтэссенцией живого состояния. Из-
Известные нам смеси веществ, входящие
в состав неодушевленных предметов, не
проявляют способности к росту и вос-
воспроизведению, обеспечивающему сохра-
сохранение из поколения в поколение оди-
одинаковой формы, массы и внутренней
структуры этих предметов.
1.2. Биохимия стремится
понять природу живого
состояния
Мы можем спросить теперь: если
живые организмы состоят из безжиз-
безжизненных молекул, то почему же тогда жи-
живая материя столь радикально отличает-
отличается от неживой, которая тоже состоит из
неодушевленных молекул? Почему жи-
живой организм представляет собой нечто
14
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
большее, чем сумму своих неживых ком-
компонентов? Философы когда-то объясня-
объясняли это тем, что живые организмы на-
наделены таинственной и божественной
жизненной силой. Но эта доктрина, полу-
получившая название витализма, была от-
отвергнута современной наукой, которая
пытается найти рациональное и прежде
всего доступное проверке объяснение
происходящих в природе явлений. Биохи-
Биохимия как наука свою главную задачу ви-
видит в том, чтобы определить, каким
образом неживые молекулы, составляю-
составляющие в своей совокупности живые орга-
организмы, взаимодействуют друг с другом,
поддерживая живое состояние и обеспе-
обеспечивая его воспроизведение. Разумеется,
биохимия позволяет получать важную
информацию, находящую применение
в медицине, сельском хозяйстве, пищевой
промышленности и производстве, одна-
однако конечная ее цель заключается все же
в познании тайны жизни во всех ее кон-
конкретных проявлениях.
Молекулы, из которых состоят живые
организмы, подчиняются всем из-
известным законам химии, но, кроме того,
они взаимодействуют между собой в со-
соответствии с другой системой принци-
принципов, которой мы можем дать общее на-
название- молекулярная логика живого со-
состояния. Эти принципы вовсе не обяза-
обязательно представляют собой какие-то
новые, до сих пор еще неизвестные нам
физические законы или силы. Их следует
рассматривать скорее как особую систе-
систему закономерностей, характеризующих
природу, функции и взаимодействия био-
биомолекул, т. е. таких молекул, которые вхо-
входят в состав живых организмов.
Посмотрим теперь, сумеем ли мы
сформулировать какие-либо важные
принципы молекулярной логики живого
состояния.
1.3. Все живые организмы
содержат органические
макромолекулы, построенные
по общему плану
Большинство химических компонен-
компонентов живых организмов представляют со-
собой органические соединения, т. е. соеди-
А
А
И
G
ш
С
т
и
G
X
А.
Т
Я
А
I
С
¦
т
и
G
И
А
Ala
I
СЯу
I
Ser
I
Val
I
Arg
I
Lys
I
Ala
I
Ala
I
His
I
Gly
I
lie
I
Tip
¦
Ala
I
Gly
Рис. 1 -2. А. Схематическое изображение участка
молекулы ДН К, состоящей из нуклеотидных
строительных блоков четырех гипов, располо-
расположенных в определенной последовательности. Б.
Схематическое изображение участка молекулы
белка, построенной из расположенных в опреде-
определенной последовательности аминокислотных
нения углерода, в которых атомы углеро-
углерода ковалентно связаны с другими атома-
атомами углерода, а также с атомами водоро-
водорода, кислорода и азота. Живая материя
состоит из великого множества самых
разнообразных органических соедине-
соединений, причем многие из них представляют
собой необычайно большие и сложные
молекулы. Даже самые простые, мель-
мельчайшие по размеру бактериальные клет-
клетки содержат очень большое число раз-
различных органических молекул. Напри-
Например, в клетке бактерии Escherichia coli
(обычная кишечная палочка) насчиты-
насчитывается около 5000 разных видов органи-
органических соединений, в том числе 3000 раз-
ГЛ. I. БИОХИМИЯ-МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЛОГИКА ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ
15
личных белков и 1000 разных типов
нуклеиновых кислот. Белки и нуклеи-
нуклеиновые кислоты-это очень крупные
и сложные молекулы (макромолекулы);
точное строение известно лишь для не-
немногих из этих молекул. В гораздо более
сложном организме человека число раз-
различных белков заведомо превышает
50 000. По всей вероятности, среди бел-
белков Е. coli нет ни одного, который по мо-
молекулярной структуре бьш бы идентичен
какому-либо белку человека, хотя многие
из них функционируют сходным обра-
образом. Фактически каждый вид живых ор-
организмов содержит свой набор белков
и нуклеиновых кислот, и почти все они
четко отличаются от белков и нуклеи-
нуклеиновых кислот, принадлежащих другому
виду. Поскольку существуют около 10
миллионов видов живых организмов,
легко подсчитать, что все эти виды, вме-
вместе взятые, должны содержать по мини-
минимальной оценке 101' различных белков
и почти столько же различных нуклеи-
нуклеиновых кислот.
Если бы биохимики поставили перед
собой задачу выделить, охарактеризо-
охарактеризовать и синтезировать все органические
молекулы, входящие в состав живых ор-
организмов, то это было бы совершенно
безнадежным делом. Однако, как это ни
парадоксально, все огромное разно-
разнообразие органических молекул в живых
организмах сводится к довольно про-
простой картине. Это связано с тем, что все
макромолекулы в клетке состоят из
простых и небольших молекул несколь-
нескольких типов, используемых в качестве
строительных блоков, которые связы-
связываются в длинные цепи, содержащие от
50 до многих тысяч звеньев. Длинные,
похожие на цепи молекулы дезоксири-
бонуклеиновой кислоты (ДНК) по-
построены всего из четырех типов строи-
строительных блоков-дезоксирибонуклеоти-
дов, расположенных в определенной по-
последовательности. Белки представляют
собой цепи, состоящие из 20 различных
ковалентно связанных друг с другом
аминокислот-низкомолекулярных орга-
органических соединений с известной струк-
структурой. Эти аминокислоты могут быть
расположены в самых разных последо-
последовательностях и образовывать огромное
множество разнообразных белков, по-
подобно тому как 26 букв английского ал-
алфавита, расположенные в определенном
порядке, составляют почти неограничен-
неограниченное число слов, предложений и даже
книг. Более того, те четыре нуклеотида,
из которых построены все нуклеиновые
кислоты, и 20 аминокислот, из которых
построены все белки, одинаковы во всех
организмах, включая животных, расте-
растения и микроорганизмы. Этот факт убе-
убедительно свидетельствует в пользу того,
что все живые организмы произошли от
общего предка.
Для простых молекул, из которых по-
построены все макромолекулы, характерна
еще одна примечательная особенность.
Она состоит в том, что каждая из этих
молекул выполняет в клетке сразу не-
несколько функций. Различные аминокис-
аминокислоты служат не только строительными
блоками белков, но и предшественника-
предшественниками гормонов, алкалоидов, пигментов
и многих других биомолекул. Нуклео-
тиды используются не только как
строительные блоки нуклеиновых кис-
кислот, но и как коферменты и переносчики
энергии. В живых организмах обычно не
бывает соединений, которые не выпол-
выполняли бы какой-либо функции, хотя
функции некоторых биомолекул нам по-
пока неизвестны.
Исходя из всех этих рассуждений, мы
можем теперь сформулировать ряд
принципов молекулярной логики живо-
живого:
Структура биологических макромоле-
макромолекул проста в своей основе.
Все живые организмы состоят из од-
одних и тех же молекул, используемых
как строительные блоки, что указы-
указывает на их происхождение от общего
предка.
Идентичность организмов каждого
вида сохраняется благодаря наличию
свойственного только ему набора ну-
нуклеиновых кислот и белков.
Все биомолекулы выполняют в клет-
клетках специфические функции.
16
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
1.4. Обмен веществ
и энергии в живых
организмах
Живые организмы не составляют ис-
исключения в том смысле, что обмен
энергии у них подчиняется всем обыч-
обычным физическим законам. Процессы ро-
роста и поддержания жизни требуют за-
затрат энергии, которые должны быть
каким-то образом возмещены. Живые
организмы поглощают из окружающей
среды энергию в такой форме, чтобы ее
можно было использовать в конкретных
условиях их существования при данных
значениях температуры и давления. За-
Затем они возвращают в среду эквива-
эквивалентное количество энергии, но уже
в другой, менее доступной для них фор-
форме. Полезная форма энергии, которая
требуется живой клетке, называется сво-
свободной энергией; ее можно определить
просто как энергию, способную совер-
совершать работу при постоянных темпера-
температуре и давлении. Менее полезный вид
энергии, возвращаемый клеткой в окру-
1
Работа клетки
Рост
Движение
Транспорт
Рис. 1-3. Живые организмы совершают раз-
различные виды работы за счет поглощаемой ими
свободной энергии окружающей среды. Они воз-
возвращают в среду эквивалентное количество
энергии в виде тепла и других форм непригод-
непригодной для них энергии хаотического движения.
Степень такого «обесценивания» (рассеяния)
энергии можно охарактеризовать энтропией.
жающую среду, выделяется главным
образом в форме тепла, которое рассеи-
рассеивается в среде и превращается в энер-
энергию беспорядочного движения. Таким
образом, мы можем сформулировать
еше один принцип молекулярной логики
живого:
Живые организмы создают и поддер-
поддерживают сложные, упорядоченные
и целенаправленные элементы своей
структуры за счет свободной энергии
окружающей среды; эту энергию они
затем возвращают в среду в менее
пригодной для них форме.
Хотя живые организмы способны пре-
преобразовывать энергию, они кар-
кардинальным образом отличаются от
обычных машин, созданных человеком.
Системы преобразования энергии
в живых клетках целиком построены из
сравнительно хрупких и неустойчивых
органических молекул, не способных
выдерживать высокие температуры,
сильный электрический ток, действие
сильных кислот и оснований. Все части
живой клетки имеют примерно одну
и ту же температуру, нет в клетках
и сколько-нибудь значительных перепа-
перепадов давления. Отсюда можно заклю-
заключить, что клетки не могут использовать
тепло как источник энергии, поскольку
тепло может совершать работу лишь
тогда, когда оно переходит от более на-
нагретого тела к более холодному. Клетки
совсем не похожи на тепловые и элек-
электрические двигатели-наиболее зна-
знакомые нам типы двигателей.
Живые клетки представляют собой
химические машины, работающие при
постоянной температуре.
Это еще один принцип молекулярной
логики живого состояния. Клетки ис-
используют химическую энергию для вы-
выполнения химической работы в процессе
их роста и биосинтеза клеточных ком-
компонентов, а также осмотической работы,
необходимой для переноса питательных
веществ в клетку, и механической ра-
работы сократительного и двигательного
аппаратов.
Для всех живых организмов в земной
ГЛ. 1. БИОХИМИЯ МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЛОГИКА ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ
17
Кванты видимо о света
Рис. 1-4. Солнечный свет служит исходным ис-
источником всех форм биологической энергии.
биосфере источником энергии служит
в конечном счете солнечное излучение,
которое возникает в результате реакции
ядерного синтеза-слияния ядер водоро-
водорода с образованием ядер гелия, проте-
протекающего на Солнце при необычайно
высокой температуре. Фотосинтезирую-
щие клетки растений улавливают энер-
энергию солнечного излучения и расходуют
ее на превращение углекислого газа
и воды в разнообразные богатые энер-
энергией растительные продукты, например
крахмал и целлюлозу. При этом они
выделяют в атмосферу молекулярный
кислород. Другие организмы, не спо-
способные к фотосинтезу, получают необ-
необходимую им энергию путем окисления
богатых энергией растительных продук-
продуктов атмосферным кислородом. Обра-
Образующийся в результате углекислый газ
и другие продукты окисления возвра-
возвращаются в окружающую среду и снова
вовлекаются растениями в круговорот
веществ. Это дает нам основание сфор-
сформулировать еще два принципа молеку-
молекулярной логики живого состояния.
Энергетические потребности всех
живых организмов прямо или косвенно
удовлетворяются за счет солнечной
энергии.
Весь растительный и -животный мир
(вообще все живые организмы) зави-
зависят друг от друга, поскольку между
ними через внешнюю среду постоянно
происходит обмен энергией и мате-
материей.
1.5. Ферменты, играющие
роль катализаторов в живых
клетках, управляют сложно
организованной сетью
химических реакций
Клетки могут функционировать как
химические машины благодаря присут-
присутствию в них ферментов-катализаторов,
способных в значительной мере уско-
ускорять различные химические реакции без
сколько-нибудь заметного потребления
Фермент
А » В
Рис. 1-5. Ферменты во много раз повышают
скорость определенных химических реакций.
их самих. Ферменты-это высокоспециа-
высокоспециализированные белки, синтезируемые
в клетке из простых строительных бло-
блоков-аминокислот. Каждый тип фермен-
ферментов служит катализатором химической
реакции только какого-то одного типа;
поэтому обмен веществ в любой клетке
осуществляется при участии нескольких
сотен различных типов ферментов. Фер-
Ферменты намного превосходят те катали-
катализаторы, которые синтезируют в лабора-
лаборатории химики, так как они обладают
значительно более высокой специфич-
специфичностью и эффективностью каталитиче-
18
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
ского действия, а также способны рабо-
работать в относительно мягких условиях -
при умеренной температуре и физиоло-
физиологической концентрации водородных ио-
ионов. В присутствии ферментов за какие-
то секунды протекают сложные после-
последовательности реакций, для проведения
которых в химической лаборатории по-
потребовались бы дни, недели или месяцы
работы. Кроме того, реакции, катализи-
катализируемые ферментами, идут со 100%-ным
выходом и без образования побочных
продуктов. В то же время известно, что
реакции, которые проводят в лаборато-
лаборатории химики-органики, почти всегда со-
сопровождаются образованием одного
или нескольких побочных продуктов.
Поскольку каждый фермент способен
ускорять лишь какую-то одну цепь ре-
реакций данного соединения, не влияя на
другие возможные реакции с его уча-
А
I-
В
с
I*
D
I
I ?,4
I
E
[-
F
I
I Ее
1
G
I
I En
Рис. 1-6. Ферменты часто катализируют после-
последовательно протекающие химические реакции.
стием, в живой клетке может одновре-
одновременно протекать множество различных
хйгогческих реакций; при этом не возни-
возникает никакой опасности, что клетка по-
погрязнет в месиве бесполезных побочных
продуктов.
Сотни протекающих в клетке химиче-
химических реакций, катализируемых фермен-
ферментами, организованы в виде множества
различных последовательностей идущих
друг за другом реакций. Такие последо-
последовательности могут состоять из несколь-
нескольких реакций-от 2 до 20 и более. Одни
из этих последовательностей фермента-
ферментативных реакций приводят к расщепле-
расщеплению органических пищевых продуктов
на более простые соединения, причем
в процессе такого расщепления из них
извлекается химическая энергия. Другие
последовательности реакций, требую-
требующих затраты энергии, начинаются
с малых молекул-предшественников, ко-
которые постепенно соединяются друг
с другом и образуют крупные
и сложные макромолекулы. Все эти це-
цепи взаимосвязанных ферментативных
реакций, составляющих в совокупности
клеточный метаболизм, имеют множе-
множество узловых точек.
1.6. Клетки используют
1нер1ию в химической форме
Живые клетки улавливают, сохра-
сохраняют и передают энергию в химической
форме, главным образом в виде энер-
энергии, заключенной в молекулах аденозин-
трифосфата (АТР). Именно АТР слу-
служит главным переносчиком химической
энергии в клетках всех живых организ-
организмов. АТР может передавать свою энер-
энергию некоторым другим биомолекулам,
теряя при этом концевую фосфатную
группу; в результате богатая энергией
молекула АТР превращается в энергети-
энергетически обедненную молекулу аденозинди-
фосфата (ADP). В свою очередь ADP
может снова соединиться с фосфатной
группой и превратиться в АТР либо за
счет солнечной энергии (в фотосинтези-
рующих клетках), либо за счет химиче-
химической энергии (в животных клетках). АТР
служит главным связующим звеном ме-
ГЛ. 1. БИОХИМИЯ МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЛОГИКА ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ
\Н.
I "
19
\
О О О
I I I Л
о—р—о—р—о—р—о—сн.
II II II
о о о
*ч; n
^сн
он он
Рис. 1-7. Структурная формула (А) и простран-
пространственная модель (Б) аденозинтрифосфата(АТР).
жду двумя большими разветвленными
системами ферментативных реакций
в клетке. Одна из этих систем сохраняет
химическую энергию, поступающую из
окружающей среды, в основном путем
фосфорилирования бедного энергией
ADP и превращения его в богатый энер-
энергией АТР. Другая же система реакций
использует энергию АТР для биосинте-
биосинтеза клеточных компонентов из более
простых предшественников, выполнения
механической работы сократительных
и двигательных аппаратов, а также для
точно соответствуют требованиям жи-
живой функционирующей протоплазмы
клеток данного вида. Следовательно,
катализируемые ферментами метаболи-
метаболические реакции точно отрегулированы
и производят лишь столько простых
молекул разных видов, сколько их необ-
необходимо для сборки строго заданного
числа молекул нуклеиновых кислот, бел-
белков, липидов или полисахаридов каждо-
каждого типа. Более того, живые клетки спо-
способны регулировать синтез своих соб-
собственных катализаторов - ферментов.
Например, клетка может «выключить»
синтез фермента, необходимого для
производства какого-либо продукта из
Биосинтез
Энергия пита-
питательных ве-
веществ
Транспорт че-
рез мембраны
ТАВР +¦ Р
совершения осмотической работы-пе-
работы-переноса веществ через мембраны. Так же
как и биомолекулы, играющие роль
строительных блоков, эти взаимосвя-
взаимосвязанные системы ферментативных реак-
реакций практически идентичны у большин-
большинства видов живых организмов.
1.7. Процессы клеточного
метаболизма находятся
под постоянным контролем
Растущие клетки могут одновременно
синтезировать тысячи разных молекул
белков и нуклеиновых кислот в таких
относительных количествах, которые
Рис.-1-8. АТР -это переносчик химической
энергии, связывающий источники энергии с вну-
внутриклеточными процессами, требующими за-
затраты энергии.
его предшественников, если она полу-
получает этот продукт в готовом виде из
внешней среды. Такая способность
к самонастройке и саморегуляции по-
позволяет живым клеткам поддерживать
внутри себя определенное стационарное
состояние даже в условиях значи-
значительных изменений внешней среды. От-
Отсюда следует еще один принцип молеку-
молекулярной логики живого состояния:
Живые клетки представляют собой
саморегулируемые химические си-
системы, настроенные на работу в режи-
режиме максимальной экономии.
20
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
1.8. Живые организмы
способны к точному
самовоспроизведению
Самое замечательное свойство живых
клеток-это их способность воспроизво-
воспроизводить себе подобных с почти идеальной
точностью на протяжении сотен и тысяч
поколений. Следует сразу же отметить
три характерные особенности процесса
воспроизведения. Во-первых, живые ор-
организмы настолько сложны, что трудно
себе представить, каким образом переда-
передаваемое из поколения в поколение количе-
количество генетической информации может
уместиться в крошечном клеточном ядре,
в котором эта информация хранится. Мы
знаем теперь, что вся генетическая ин-
информация, содержащаяся в бактериаль-
бактериальной клетке, заключена в одной большой
молекуле дезоксирибонуклеиновой кис-
кислоты (ДНК). А гораздо большее количе-
количество генетической информации, содержа-
содержащееся в одной половой клетке человека,
закодировано в наборе молекул ДНК об-
общей массой всего лишь 6-10 ~ 12 г. Это
позволяет нам сформулировать еще один
важный принцип молекулярной логики
живого состояния:
Генетическая информация закодирова-
закодирована при помощи структурных единиц
субмолекулярных размеров; эти еди-
единицы представляют собой четыре типа
нуклеотидов, из которых построены все
молекулы ДНК.
Вторая замечательная особенность
процесса самовоспроизведения живых
организмов-необычайно высокая ста-
стабильность генетической информации,
хранящейся в ДНК. До наших дней со-
сохранились лишь немногие древние запи-
записи, хотя они были вытравлены на медных
пластинках или высечены на камне. На-
Например, рукописи Мертвого моря и Ро-
зеттский камень, давший ключ к расши-
расшифровке древнеегипетских иероглифов,
насчитывают всего несколько тысячеле-
тысячелетий. Однако есть все основания считать,
что многие современные бактерии имеют
почти те же размеры, форму, внутрен-
внутреннюю структуру и содержат те же типы
строительных блоков молекул фермен-
ферментов, что и бактерии, жившие миллионы
лет назад. И это постоянство сохраняет-
сохраняется, несмотря на то что бактерии, как и все
другие организмы, подвержены
непрерывным эволюционным измене-
изменениям. Генетическая информация не запи-
записана на меди и не выбита на камне, а хра-
хранится в форме ДНК-настолько хрупкой
органической молекулы, что она разры-
разрывается на множество фрагментов при
Рис. 1-9. Единичная молекула ДНК, высвобо-
высвободившаяся из разрушенной клетки бактерии
Hemophillus influenzae. Молекула ДНК в сотни
раз длиннее самой клетки.
ГЛ. 1. БИОХИМИЯ МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЛОГИКА ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ
21
Цитозин
/ , Аденин
Тимин
I '||||||11|Н|/\ г^ у.;.
Рис. 1-10 Комплементарность между кодирую-
кодирующими элементами двух цепей ДНК.
простом перемешивании содержащего
ДНК раствора или втягивании его в пи-
пипетку. Цепи ДНК часто рвутся даже и
в неповрежденной клетке, но там они бы-
быстро и автоматически восстанавливают-
восстанавливаются. Замечательная способность живых
клеток сохранять свой генетический ма-
материал есть следствие структурной ком-
плементарности. Одна цепь ДНК служит
матрицей, на которой ферментативным
путем строится или восстанавливается
другая структурно комплементарная ей
цепь. Однако, несмотря на почти идеаль-
идеальную точность процесса генетической ре-
репликации, в ДНК изредка происходит то
или иное очень небольшое изменение—
мутация, которая может приводить
к появлению либо более совершенного
и более приспособленного потомства,
либо, наоборот, потомства, менее спо-
способного к выживанию. Таким путем
живые организмы непрерывно повы-
1
Трансляция
(через РНК)
Трехмерная структура белков
Линейный
код ДНК
Рис. 1-11. Информация, записанная в виде ли-
линейной последовательности нуклеотилов
в ДНК. транслируется (т. е. переводится) в трех-
трехмерную структуру белков.
22
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
шают свою способность к выживанию,
причем под влиянием изменений в окру-
окружающей среде возникают новые виды,
претерпевающие дальнейшую эволю-
эволюцию.
Рассмотрим третью замечательную
особенность переноса генетической ин-
информации в живых организмах. Генети-
Генетическая информация закодирована в фор-
форме линейной, одномерной, последова-
последовательности нуклеотид ов - строительных
блоков ДНК. Но живые клетки имеют
трехмерную структуру и состоят из трех-
трехмерных компонентов. «Одномерная» ин-
информация, заключенная в ДНК, преобра-
преобразуется в «трехмерную» информацию,
присущую живым организмам, путем
трансляции (т. е. перевода с одного языка
на другой) структуры ДНК в структуру
белка. В этом процессе принимает уча-
участие рибонуклеиновая кислота (РНК).
В отличие от молекул ДНК, имеющих
в основном одинаковую структурную
форму, молекулы разных белков само-
самопроизвольно свертываются характерным
для данного белка способом, образуя
самые разнообразные трехмерные струк-
структуры, каждая из которых выполняет спе-
специфическую функцию. Точная геометрия
молекул данного белка определяется его
аминокислотной последовательностью,
которая в свою очередь определяется ну-
клеотидной последовательностью со-
соответствующего участка ДНК.
Теперь мы можем суммировать ос-
основные принципы молекулярной логики
клеток:
Живая клетка-это способная к само-
самосборке, саморегуляции и самовоспроиз-
самовоспроизведению изотермическая система орга-
органических молекул, извлекающая свобод-
свободную энергию и сырьевые ресурсы из
окружающей среды.
В клетке осуществляется множество
последовательно протекающих органи-
органических реакций, ускоряемых органиче-
органическими катализаторами (ферментами),
которые производит сама клетка.
Клетка сама себя поддерживает в
стационарном динамическом состоя-
состоянии, далеком от равновесия с окру-
окружающей средой. Она функционирует
по принципу максимальной экономии
компонентов и процессов.
Способность клетки к почти точному
самовоспроизведению на протяжении
многих поколений обеспечивается
самовосстанавливающейся системой
линейного кодирования.
Цель биохимии состоит в том, чтобы
понять, каким образом взаимодействия
биомолекул друг с другом порождают
описанные выше особенности живого со-
состояния. Рассматривая молекулярную
логику живых клеток, мы ни разу не
столкнулись с нарушением известных фи-
физических законов или с необходимостью
сформулировать какие-либо новые за-
законы. «Мягкие» органические меха-
механизмы, обеспечивающие функционирова-
функционирование живых клеток, подчиняются той же
совокупности законов, которые упра-
управляют работой машин, созданных чело-
человеком; однако химические реакции и ре-
гуляторные процессы, протекающие
в клетках, гораздо более совершенны
и намного превосходят возможности со-
современной химической технологии.
Хотя мы отдаем себе отчет в том, что
сформулированные нами принципы, со-
составляющие в совокупности молекуляр-
молекулярную логику живого состояния, носят не-
несколько упрощенный и механистический
характер, они, по всей видимости, рас-
распространяются на все живые клетки. Воз-
Возникает вопрос: а можно ли молекуляр-
молекулярную логику живого состояния в том виде,
в каком она здесь изложена, использо-
использовать для описания сложных многокле-
многоклеточных организмов и особенно для опи-
описания наиболее высокоорганизованных
форм жизни? Можно ли ее приложить
к организму человека с его необычайной
и уникальной способностью мыслить, го-
говорить и творить? Мы еще не можем да-
даже и пытаться ответить на эти вопросы,
хотя теперь знаем, что развитие и поведе-
поведение высших организмов определяются
молекулярными факторами и видоизме-
видоизменяются под их влиянием; следовательно,
развитие и поведение высших организ-
организмов должны иметь биохимическую осно-
основу. Однако пока у нас нет ответов на эти
более сложные вопросы, так как сегод-
ГЛ. 1. БИОХИМИЯ- МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЛОГИКА ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ
23
няшней биохимии известна лишь очень
малая доля того, что нам предстоит еще
узнать о живых организмах.
В этом общем обзоре мы показали, что
биохимия-это не просто описание ка-
каких-то разрозненных химических данных
о живой материи, но что она покоится на
некой основополагающей системе, вклю-
включающей ряд важных организующих
принципов. Теперь, когда мы приступаем
к изучению биохимии, эти организующие
принципы будут служить нам основными
ориентирами. Сначала мы опишем раз-
различные классы биомолекул. Затем мы
перейдем к анализу изотермических, по-
последовательно связанных друг с другом,
саморегулируемых ферментативных ре-
реакций, составляющих систему, через ко-
которую осуществляется обмен веществом
и энергией между организмом и окру-
окружающей средой, т.е. метаболизм. Нако-
Наконец, мы рассмотрим молекулярные ос-
основы самовоспроизведения клеток
и преобразования «одномерной» инфор-
информации, содержащейся в ДНК, в трехмер-
трехмерную структуру белков. По ходу дела мы
увидим, что биохимия способствует фор-
формированию новых важных представле-
представлений, касающихся физиологии человека,
проблем питания и медицины, более глу-
глубокому пониманию биологии растений,
основ сельского хозяйства, эволюции,
экологии, а также великого кругово-
круговорота вещества и энергии между солн-
солнцем, землей, растениями и живот-
животными.
ГЛАВА 2
КЛЕТКИ
Читатели могут задать вопрос: поче-
почему, приступая к обсуждению биохимии,
мы начинаем с клеток? Конечно, неко-
некоторые из вас уже, возможно, изучали био-
биологию клетки. Тем не менее начать
с клетки необходимо, потому что боль-
большинство биохимических реакций в есте-
естественных условиях происходит именно
в клетках, а не в колбах или пробирках.
Основное различие между биохимией
и «обычной» химией состоит в том, что
биохимические реакции протекают
в строго ограниченных условиях, за-
заданных размерами клеток и их внутрен-
внутренней структурой, а также физическими
и химическими условиями, совместимы-
совместимыми с жизнью клеток.
Обычные известные нам химические
реакции проводят в реакционных сосу-
сосудах, изготовленных из небиологических
материалов, причем размеры этих сосу-
сосудов несопоставимо больше величины ре-
реагирующих молекул. Кроме того, для
обычных химических реакций иногда
требуются высокие температуры или да-
давления, активные реагенты или электри-
электрическая энергия; часто такие реакции про-
проводят в органических растворителях.
В отличие от химических биохимические
Структура, затерявшаяся в цитоплазме клетки.
Сеть или решетка очень тонких нитей, образую-
образующих «основное вещество» животных клеток при
чрезвычайно большом увеличении. Обычные ме-
методы электронной микроскопии не позволяли
увидеть эту сеть - она была обнаружена лишь со-
совсем недавно благодаря новому методу высоко-
высоковольтной электронной микроскопии с очень вы-
высокой разрешающей способностью. На рисунке
показана лишь назначительная часть цито-
цитоплазмы клетки, которая буквально пронизана
этой сложной трехмерной сетью.
реакции в живых клетках протекают
в объемах, жестко ограниченных разме-
размерами клеток или их органелл, необычай-
необычайно хрупкие стенки которых часто имеют
толщину порядка нескольких молекул.
Кроме того, биохимические реакции
осуществляются только в водной среде
при сравнительно низких постоянных
температурах. Клетки не могут перено-
переносить экстремальной температуры или
давления, экстремальной кислотности
или присутствия соединений, обладаю-
обладающих высокой химической активностью.
В дальнейшем, рассматривая химию био-
биологических процессов, мы всегда должны
помнить о размерах, строении и свой-
свойствах клеток, постоянно согласуя между
собой представления химии и биологии
клетки.
В этой главе мы остановимся на строе-
строении и биохимических свойствах клеток
наиболее распространенных типов. В по-
последующих главах некоторые аспекты
этой проблемы будут рассмотрены более
подробно.
2.1. Все клетки обладают
некоторыми общими
структурными
характеристиками
Клетки-это структурные и функцио-
функциональные единицы живых организмов.
Простейшие организмы представляют
собой единичные клетки; в отличие от
них организм человека содержит, по-ви-
по-видимому, не менее Ю14 клеток. Суще-
Существует множество самых разнообразных
клеток, очень сильно различающихся по
размерам, форме и функциональной спе-
26
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
циализации. В пригоршне земли или
в стакане воды, взятой из пруда, можно
обнаружить десятки различных однокле-
одноклеточных организмов, а любой многокле-
многоклеточный организм, будь то человек или
какое-нибудь растение, состоит из десят-
десятков или сотен высокоспециализиро-
высокоспециализированных типов клеток, функционирующих
совместно в составе тканей и органов.
Как бы ни был велик и сложен организм,
клетки каждого типа сохраняют опреде-
определенную индивидуальность и независи-
независимость.
Несмотря на многочисленные внешние
различия, клетки разных типов обладают
поразительным сходством в своих
главных структурных особенностях
(рис. 2-1). Каждая клетка окружена очень
тонкой мембраной, ограничивающей ее
содержимое и позволяющей ей быть до
некоторой степени самостоятельной.
Клеточная мембрана, которую называют
также плазматической мембраной, харак-
характеризуется избирательной проницае-
проницаемостью. Это ее свойство позволяет необ-
необходимым питательным веществам
и солям проникать внутрь клетки, а из-
излишним продуктам выходить из нее. В то
Плазматическая
мембрана
Ядро или ядерное тельце
Цитоплазма; непрерывная
жидкая часть цитоплазмы
называется цитозолем
Рибосомы; в цитоплазме
всех клеток содержится
много тысяч рибосом
Рис. 2-1. Все клетки ограничены мембраной, со-
содержат ядро или ядерное тельце и рибосомы.
Далее мы увидим, что существует два основных
класса клеток, различающихся по другим струк-
структурным элементам.
же время клеточная мембрана препят-
препятствует проникновению в клетку не-
ненужных веществ из окружающей среды.
Молекулярная организация плазматиче-
плазматической мембраны у всех клеток примерно
одинакова: она состоит из двух слоев ли-
пидных молекул с множеством вклю-
включенных в нее специфических белков. Одни
мембранные белки обладают фермента-
ферментативной активностью, тогда как другие
связывают питательные вещества из
окружающей среды и обеспечивают их
перенос в клетку. Внутреннее простран-
пространство любой клетки заполнено цитоплаз-
цитоплазмой, в которой протекает большинство
катализируемых ферментами реакций
клеточного метаболизма. Именно в ци-
цитоплазме высвобождается химическая
энергия, необходимая для построения
клеточных структур и поддержания их
целостности, а также для механической
работы сокращения и передвижения.
В цитоплазме всех клеток присутствуют
также рибосомы -небольшие гранулы
диаметром от 18 до 22 нм, функция ко-
которых состоит в обеспечении синтеза
белков. Кроме того, все живые клетки со-
содержат ядро или ядерное тельце, в ко-
которых происходит редупликация генети-
генетического материала и его хранение в виде
дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК).
2.2. Клетки должны иметь
очень малые размеры
Клеткам присуща еще одна важная
структурная особенность - все они отно-
относительно малы (иначе и не может быть).
Обычно в лабораторных условиях хими-
химические реакции проводят в сосудах,
объем которых составляет десятки мил-
миллилитров или даже литры. Содержимое
таких реакционных сосудов должно по-
постоянно тщательно перемешиваться,
с тем чтобы скорость реакции не лимити-
лимитировалась скоростью диффузии реагирую-
реагирующих молекул. В живых же клетках биохи-
биохимические реакции протекают в компарт-
ментах («отсеках») микроскопически
малого объема. Например, объем клетки
бактерии Escherichia coli составляет всего
лишь 2-10" 12 миллилитра (мл). Для то-
того чтобы ясно представить себе, какое
ГЛ. 2. КЛЕТКИ
27
значение имеет величина клетки с точки
зрения химических аспектов ее жизнедея-
жизнедеятельности, необходимо сначала познако-
познакомиться с размерами биомолекул и кле-
клеток. Как указано в табл. 2-1, в качестве
единиц длины при определении размеров
клеток и их компонентов в настоящее
время используются нанометр (нм) и ми-
микрометр (мкм). Хотя старые единицы, та-
такие, как ангстрем или микрон, приме-
применяются все реже, их также следует знать.
Чтобы читатель имел приблизительное
представление о величине клеток, в табл.
2-2 приведены размеры некоторых на-
наиболее важных биологических структур
и, в частности, небольших биомолекул
(аланина и глюкозы), макромолекул
(трех белков и липида), надмолекулярных
Таблица 2-1. Международная система еди-
единиц
Основные единицы
Длина
Масса
Время
Метр (м)
Килограмм (кг)
Секунда (с)
Приставки
103, кило- (к)
106, мега- (М)
109, гига- (Г)
10 3, милли- (м)
10~6, микро- (мк)
10~9, нано- (н)
Единицы длины, используемые в биологии клетки
и биохимии
Нанометр (нм)
Микрометр (мкм)
= 10"9
= 10
= ю-3
= 10~6
= 10
= 1000
м
мм
мкм
м
мм
нм
Устаревшие, но все еще часто используемые еди-
единицы
1 микрон (ц) = 1 микрометр (мкм)
1 миллимикрон (мц) = 1 нанометр (нм)
1 ангстрем (А) = 0,1 нанометр (нм)
Таблица 2-2. Размеры некоторых биологиче-
биологических структур
Структура
Алании (аминокислота)
Глюкоза (сахар)
Фосфатидилхолин
(мембранный липид)
Миоглобин (белок малых
размеров)
Гемоглобин (белок средних
размеров)
Рибосома E.coli
Вирус полиомиелита
Миозин (длинный палочко-
палочковидный белок)
Вирус табачной мозаики
Митохондрия клетки печени
Клетка E.coli
Хлоропласт из листа шпи-
шпината
Клетка печени
Размер в
длину (нм)
0,5
0,7
3,5
3,6
6,8
18
30
160
300
1500
2 000
8 000
20000
систем (рибосом и вирусов), клеточных
органелл (митохондрий и хлоропластов),
бактерии и печеночной клетки. Многие
бактериальные клетки достигают в дли-
длину 2 мкм, а большинство клеток высших
животных - 20 или 30 мкм.
Может возникнуть вопрос: почему
живые клетки имеют именно такие раз-
размеры? Почему нет клеток, которые были
бы значительно меньше или значительно
больше известных нам клеток? Оказы-
Оказывается, для этого есть важные причины.
Самая маленькая жизнеспособная клет-
клетка-микроорганизм Mycoplasma-не мо-
может быть намного меньше, чем она есть,
просто из-за того, что молекулы, из ко-
которых она построена, имеют фиксиро-
фиксированную величину, задаваемую размера-
размерами атомов углерода, водорода, кислоро-
кислорода и азота. Для обеспечения жизнедея-
жизнедеятельности клетки необходимо, чтобы она
содержала хотя бы минимальное число
различных биомолекул. Поэтому, если
бы клетки были меньше, они должны бы-
были быть построены из более мелких ато-
атомов или молекул.
С другой стороны, клетки, вероятно, не
могут быть намного больше, чем они
28
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
есть, просто потому, что в этом случае
скорости метаболических процессов мо-
могли бы лимитироваться скоростью диф-
диффузии молекул питательных веществ вну-
внутри клетки, что ограничило бы возмож-
возможности регуляции метаболизма. Макси-
Максимальные размеры клеток зависят, таким
образом, от основных законов физики,
определяющих скорость диффузии моле-
молекул, растворенных в водной среде. Дей-
Действительно, в наиболее крупных клетках
цитоплазма разделена на структуры
меньших размеров, клеточные органеллы,
в значительной мере для того, чтобы
облегчить возможность быстрых взаи-
взаимодействий между специфическими мо-
молекулами за счет сокращения пути, ко-
который они преодолевают, прежде чем
сталкиваются и вступают в реакцию друг
с другом. Вполне понятно, что одна из
причин, по которой клетки имеют малые
размеры, состоит в том, что им при-
приходится обходиться без электрических
или механических перемешивающих
устройств. Другая причина связана с су-
существованием оптимального соотноше-
соотношения между поверхностью и объемом кле-
клеток. Благодаря тому что площадь по-
поверхности клетки относительно велика
по сравнению с ее объемом, в клетку про-
проникает большее число молекул пита-
питательных веществ в единицу времени.
В результате несложных вычислений
можно убедиться в том, что с увеличе-
увеличением диаметра сферы отношение площа-
площади ее поверхности к объему резко сни-
снижается. (Попробуйте сами рассчитать
отношения поверхности к объему для
сфер диаметром 1, 10 и 100 мкм. Пло-
Площадь поверхности сферы равна 4от2, а ее
объем -4/Зтгг3, где г-радиус, а п равно
3,14.)
2.3. Существуют два
больших класса клеток -
прокариотические
и эукариотические
Наиболее просто устроенные мельчай-
мельчайшие клетки, имеющие самое древнее про-
происхождение, носят название прокариоты;
они представлены различными видами
одноклеточных микроорганизмов - бак-
0,2 мкм
Рис. 2-2. Возраст этого напоминающего бакте-
бактерию микроископаемого, найденного в Южной
Африке при раскопках залежей кремниевых по-
пород, носящих название «черный сланец»,
составляет около 3,4 миллиардов лет. Это
одно из древнейших известных в настоящее вре-
время ископаемых получило название Eobacterium
isolatum. что означает «единственная бактерия на
заре (жизни)».
Короткая прямая линия под этой и всеми после-
последующими электронными микрофотографиями
характеризует масштаб; 1 мкм составляет
1/10000 см.
терий. Прокариоты были первыми клет-
клетками, возникшими в процессе биологиче-
биологической эволюции: ископаемые остатки этих
клеток, возраст которых составляет бо-
более 3 млрд. лет C • 109), были найдены
в древних сланцах в Африке (рис. 2-2),
а также в Австралии. Эукариотические
клетки, возникшие, вероятно, на 1 млрд.
лет позднее прокариот, характеризуются
значительно большими размерами, бо-
более сложной организацией, необычным
разнообразием и способностью к диффе-
ренцировке. Именно из таких клеток со-
состоят все многоклеточные животные,
растения и грибы.
Термины «прокариот» и «эукариот»
происходят от греческого слова karyon
(«орех» или «зерно», т.е. ядро). Прока-
Прокариот означает «до ядра», а эукариот-с
«хорошо оформленным ядром». В прока-
риотической клетке генетический мате-
ГЛ. 2. КЛЕТКИ
29
риал локализован в довольно неупорядо-
неупорядоченном, не окруженном мембраной ядер-
ядерном тельце, или нуклеоиде. Эукариотиче-
ская клетка, напротив, содержит высо-
высокоорганизованное, очень сложное ядро,
окруженное ядерной оболочкой, состоя-
состоящей из двух мембран. Рассмотрим те-
теперь прокариотические и эукариотиче-
ские клетки несколько подробнее.
2.4. Прокариоты-самые
простые и самые мелкие
клетки
К прокариотам относятся около 3000
видов бактерий, в том числе организмы,
обычно называемые сине-зелеными водо-
водорослями. Сине-зеленые водоросли сос-
составляют особое семейство бактерий,
их современное и предпочтительное на-
название - цианобактерии («циано» - синий).
Особое положение цианобактерии объяс-
объясняется наличием у них выделяющей кис-
кислород фотосинтетической системы, во
многом сходной с системой фотосинтеза
высших зеленых растений. Некоторые
другие классы бактерий также могут осу-
осуществлять фотосинтез, однако они не вы-
выделяют кислород. Большинство видов
бактерий не способны к фотосинтезу
и получают энергию за счет расщепления
питательных веществ, поступающих из
окружающей среды. Существуют 20 раз-
различных семейств прокариот, классифика-
классификация и названия которых основаны на их
внешнем виде (рис. 2-3), а также на спо-
способности к передвижению, окрашива-
окрашиванию, потреблению определенных пита-
Рнс. 2-3. Классификация и названия некоторых
прокариот основаны на их внешнем виде. А. Ба-
Бациллы- палочкообразные микроорганизмы,
к которым относится Escherichia coli, а также па-
патогенные микробы, вызывающие дифтерию,
столбняк и туберкулез. Б. Кокки-сферические
бактерии. Иногда они объединяются, образуя
пары (диплококки), группы (стафилококки) или
цепочки (стрептококки; показаны на этом рисун-
рисунке). К коккам относятся бактерии, вызывающие
скарлатину, некоторые виды пневмоний и ра-
раневые инфекции. В. Спирохеты-спиралевидные,
часто очень длинные (ло 500 мкм) бактерии. На
рисунке показаны бактерии длиной от 10 до 15
мкм. К этому классу микроорганизмов относит-
относится возбудитель сифилиса.
5 мкм
мкм
30
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
тельных веществ и синтезу определенных
продуктов. Некоторые бактерии обла-
обладают патогенными (болезнетворными)
свойствами, однако большинство из них
весьма полезны. К прокариотам относят-
относятся также семейства очень мелких клеток,
обычно паразитирующих внутри других
клеток.
Хотя прокариотические клетки не
видны невооруженным глазом и менее
знакомы нам по сравнению с высшими
животными и растениями, они состав-
составляют очень существенную часть био-
биомассы Земли. Вероятно, три четверти
всей живой материи на Земле приходится
на долю микроорганизмов, большинство
из которых - прокариоты. Более того,
прокариоты играют важную роль в био-
биологических превращениях материи
и энергии на Земле. Фотосинтезирующие
бактерии, обитающие как в пресной, так
и в морской воде, поглощают солнечную
энергию и используют ее для синтеза
углеводов и других компонентов клеток,
которые в свою очередь служат пищей
для других организмов. Некоторые бак-
бактерии могут фиксировать молекулярный
азот (N2) из атмосферы, образуя биоло-
биологически полезные азотсодержащие соеди-
соединения. Таким образом, прокариоты
играют роль отправной точки для мно-
многих пищевых цепей в биосфере. Кроме то-
того, прокариоты выполняют функцию ко-
конечных потребителей, поскольку раз-
различные бактерии осуществляют расще-
расщепление органических структур в мертвых
растениях и животных, возвращая тем
самым конечные продукты распада в ат-
атмосферу, почву и моря, где они вновь ис-
используются в биологических циклах
углерода, азота и кислорода.
Прокариотические клетки представ-
представляют исключительную ценность для ис-
исследований в области биохимии и моле-
молекулярной биологии, так как они не-
несложны по своей структуре, их можно
легко и быстро выращивать в больших
количествах, а механизмы репродукции
и передачи генетической информации
у них относительно просты. В опти-
оптимальных условиях при 37°С в простой
питательной среде, содержащей глюкозу,
соли аммония и неорганические веще-
вещества, бактерии делятся каждые
20-30 мин. Другая важная особенность
прокариотических клеток-это их способ-
способность размножаться очень простым спо-
способом - неполовым путем. Клетки растут
до тех пор, пока их размеры не увеличат-
увеличатся вдвое, после чего делятся на две иден-
идентичные дочерние клетки, каждая из ко-
которых получает одну из двух копий
генетического материала (ДНК) роди-
родительской клетки. Прокариотические клет-
клетки содержат только одну хромосому,
представляющую собой двухцепочечную
молекулу ДНК. Кроме того, можно лег-
легко индуцировать образование генетиче-
генетических мутантов прокариот, а затем выра-
выращивать их. Благодаря всем этим свой-
свойствам бактерии сыграли важную роль
в формировании наших представлений
об основных молекулярных процессах,
обеспечивающих передачу генетической
информации.
2.5. Escherichia coli-
самая известная
из прокариотических клеток
Escherichia coli (рис. 2.4)-типичная не-
непатогенная бактерия, обитающая в желу-
желудочно-кишечном тракте людей и многих
высших животных. Эта бактерия иссле-
исследована наиболее полно из всех прокарио-
прокариотических, а возможно, и любых других
клеток. Длина клеток Е. coli составляет
около 2 мкм, а диаметр-немного мень-
меньше 1 мкм. Клетки Е. coli защищены кле-
клеточной стенкой, с внутренней стороны
которой расположена тонкая клеточная
мембрана, ограничивающая цитоплазму
и ядерное тельце (нуклеоид), содержащее
одну молекулу двухцепочечной ДНК
в виде очень длинной замкнутой петли,
часто называемой кольцом. Молекула
ДНК Е. coli почти в 1000 раз длиннее
самой клетки и, следовательно, должна
быть очень плотно упакована, чтобы по-
поместиться внутри нуклеоида, длина кото-
которого не превышает 1 мкм. Как и у всех
остальных прокариот, генетический ма-
материал у Е. coli не окружен мембраной.
Помимо основной молекулы ДНК, рас-
расположенной в нуклеоиде, в цитоплазме
большинства бактерий содержатся очень
ГЛ. 2. КЛЕТКИ
31
Клеточная Клеточная
стенка мембрана
Рибосомы
Ядерное тельце,
содержащее ДНК
Рис. 2-4. Два изображения клеток Е. coli. А.
Электронная микрофотография тонкого среза.
В центре видны две клетки, которые только что
завершили деление, но еще не разошлись.
Светлые участки в центре каждой клетки-
ядреные тельца, или нуклеоилы, содержащие
ДНК. Очень темные гранулы в цитоплазме-ри-
цитоплазме-рибосомы. Б. Электронная микрофотография по-
поверхности клеток Е. coli, на которой видны пили
и жгутики.
мелкие кольцевые фрагменты
ДНК -плазмиды. В дальнейшем мы уви-
увидим, что изучение этих не связанных с ос-
основной молекулой ДНК полунезави-
полунезависимых генетических элементов привело
в наши дни к новым важным достиже-
достижениям в области генетической биохимии
и инженерии.
Внешняя клеточная стенка Е. coli по-
покрыта чехлом, или капсулой, из слизисто-
слизистого вещества. Через чехол проходят нару-
наружу короткие, похожие на волоски струк-
структуры, называемые пилями, функция ко-
которых пока не совсем понятна. Штаммы
Е. coli и других бактерий, способных
к передвижению, имеют также один или
несколько длинных жгутиков, играющих
роль пропеллеров при перемещении бак-
бактерий в водной среде. Жгутики бактерий
представляют собой тонкие, жесткие,
изогнутые стерженьки с поперечным се-
сечением 10-20 нм. Они прикрепляются
к расположенной на внутренней стороне
мембраны структуре, напоминающей ав-
автоматическую трансмиссию, которая
обеспечивает вращение жгутиков. Мем-
Мембрана клетки-это очень тонкий двойной
слой (бислой) липидных молекул, прони-
0,5 мкм
занный белками. Клеточная мембрана
обладает избирательной проницае-
проницаемостью и содержит белки, способные
транспортировать питательные вещества
внутрь клетки, а продукты распада-из
клетки во внешнюю среду. В клеточной
мембране большинства прокариот при-
присутствуют также важные белки, пере-
переносящие электроны и превращающие
энергию окислительных процессов в хи-
химическую энергию АТР. Внутренние
мембраны фотосинтезирующих бакте-
бактерий, происходящие из плазматиче-
плазматической мембраны, содержат хлорофилл
и другие фоточувствительные пигменты
(рис. 2-5).
В цитоплазме Е. coli встречается ряд
гранулообразных структурных элемен-
элементов. Наиболее заметные из них-это ин-
интенсивно прокрашивающиеся рибосомы,
диаметр которых у прокариот составляет
около 18 нм. Рибосомы, в состав ко-
которых входят рибонуклеиновая кислота
и многочисленные белковые молекулы,
осуществляют синтез клеточных белков.
Рибосомы часто собираются в группы,
называемые полирибосомами, или полисо-
полисомами. В цитоплазме многих бактерий
32
Рибосома
Плазматическая мембрана
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
Белковое тельце
Клеточная стенка
\
Липидные капельки
Ядерное тельце
Внутренние мембраны,
содержащие фотосинте-
фотосинтетические пигменты
присутствуют также гранулы, содержа-
содержащие запасенные питательные вещества:
в одних случаях-это крахмал, а в дру-
других-жиры. Цитозоль- водная фаза цито-
цитоплазмы-содержит в растворенном виде
многие ферменты, молекулы, играющие
роль строительных блоков и предше-
предшественников макромолекул, а также раз-
различные неорганические соли.
Даже у простой бактерии мы видим
примитивное разделение труда внутри
клетки. Клеточная стенка служит погра-
пограничным барьером, обеспечивающим за-
защиту клетки. Клеточная мембрана транс-
транспортирует питательные вещества внутрь
клетки и ненужные продукты из нее нару-
наружу, а также запасает химическую jnep-
гию в виде АТР. В цитоплазме протекает
целый ряд ферментативных реакций,
приводящих к образованию многих ком-
компонентов клетки; рибосомы производят
белки, а ядерное тельце участвует в со-
сохранении и передаче генетической инфор-
информации.
Хотя прокариоты относительно про-
просты и невелики по сравнению с эукарио-
тическими клетками, некоторые из них
способны к проявлению поразительно
сложных видов активности. Например,
многим бактериям свойствен хемотик-
Рис. 2-5. Электронная микрофотография сине-
зеленой водоросли (или цианобактерии)
Anabaena azollae. Многочисленные внутренние
мембраны образованы из плазматической мем-
мембраны; они содержат хлорофилл и другие фото-
фотосинтетические пигменты. Цианобактерии часто
объединяются друг с другом, образуя длинные
цепочки или нити.
cue. Для таких бактерий оказываются
привлекательными определенные хими-
химические соединения, особенно пита-
питательные вещества, и в их присутствии
бактерии перемещаются по направлению
к ним; напротив, токсические вещества
отталкивают бактерии, и они движутся
в противоположную сторону. Таким
образом, бактерии обладают примитив-
примитивной сенсорной системой, передающей
сигналы их жгутикам, с помощью ко-
которых клетки движутся либо в сторону
того или иного аттрактанта, либо в про-
противоположную сторону от репеллента
(рис. 2~6). Бактерии обладают также при-
примитивной памятью.
Клетки некоторых видов прокариот
имеют тенденцию объединяться
в группы или располагаться в виде нитей.
Такие образования создают впечатление
примитивных многоклеточных организ-
организмов; однако известно, что истинные
ГЛ. 2. КЛЕТКИ
33
С
Частица аттрактанта
\
. у ... . . ¦
. • ГЬиь к аттрактанту
Передвигающаяся
бактериальная клетка
Рис. 2-6. Хемотаксис у бактерий. Подвижные
бактерии могут чувствовать незначительные
концентрационные градиенты и «плыть» в на-
направлении к аттрактантам типа питательных ве-
веществ. С помощью одного или нескольких жгу-
жгутиков клетка перемещается по прямолинейным
траекториям, прерываемым «кувыркающимися»
движениями. Бактерия движется к аттрактанту
(или от репеллента) не по прямому, а по извили-
извилистому пути.
многоклеточные организмы состоят
только из эукариотических клеток.
2.6. Эукариотические
клетки крупнее и сложнее
ирокариотических
Типичные эукариотические клетки зна-
значительно крупнее, чем прокариоты. На-
Например, гепатоциты, основные клетки
печени высших животных, имеют диа-
диаметр 20-30 мкм, тогда как диаметр бак-
бактерий не превышает 1 -2 мкм. Однако ва-
важен не столько линейный размер клеток,
сколько их объем, который у большин-
большинства эукариотических клеток
в 1000-10 000 раз больше, чем у бактерий.
Чтобы приблизительно представить себе
относительные объемы эукариотических
и прокариотических клеток, можно вос-
воспользоваться формулой для определения
объема сферы (разд. 2.2). У некоторых
2-767
эукариотических клеток, например у не-
оплодотворенного куриного яйца, раз-
размеры намного больше указанных выше,
хотя почти весь объем такой клетки за-
заполнен питательными веществами, необ-
необходимыми для роста эмбриона. Есть так-
также необычайно длинные эукариотические
клетки: так, длина отдельных двига-
двигательных нейронов человека может пре-
превышать 1 м. Однако наиболее характер-
характерная особенность эукариотических кле-
клеток-это наличие оформленного, окру-
окруженного парой мембран ядра со сложной
внутренней структурой. Подобно прока-
прокариотам, эукариотические клетки также
могут делиться неполовым путем, но это
происходит с помощью значительно бо-
более сложного процесса, называемого ми-
митозом. Половые клетки (гаметы) эука-
эукариотических организмов способны
к сложной половой конъюгации, сопро-
сопровождаемой обменом генами.
Еще одно важное различие между эука-
риотами и прокариотами состоит в том,
что эукариотические клетки, кроме орга-
организованного ядра, содержат целый ряд
других ограниченных мембранами вну-
внутриклеточных органелл, таких, как мито-
митохондрии, эндоплазматический ретикулум
и тельца Голъджи. Каждая из этих орга-
органелл выполняет специфические функции
в метаболизме и жизнедеятельности
клетки. На рис. 2-7 показана типичная
эукариотическая клетка-клетка печени
крысы, имеющая необычайно сложное
внутреннее строение с высокой степенью
компартментации. Как мы увидим
в дальнейшем, эукариотическим клеткам
свойственно более тонкое разделение
функций между содержащимися в них
многочисленными структурными эле-
элементами, каждый из которых играет спе-
специфическую роль в жизнедеятельности
клетки.
Все высшие животные, растения
и грибы состоят только из эукариотиче-
эукариотических клеток. К эукариотам относятся так-
также многие одноклеточные организмы-
различные виды простейших, диато-
диатомовые водоросли, эвгленовые, дрожжи
и миксомицеты.
Благодаря тому что эукариотические
клетки содержат значительно больше ге-
34
ЧАСТЬ I. БИОМОЛЕКУЛЫ
Шероховатый эндо-
плазматический
ретикулум
Лизосома
Пероксисома
Тельце Гольджи
Плазматическая
мембрана
нетического материала и часто претерпе-
претерпевают половую конъюгацию, при которой
может происходить обмен генами, эука-
риотические формы жизни в большей
степени способны к дифференцировке
и специализации по сравнению с прока-
прокариотами. Именно этим объясняется тот
факт, что существуют миллионы раз-
различных видов эукариотических организ-
организмов, тогда как число видов прокариот не
превышает нескольких тысяч. С другой
стороны, прокариотические организмы
значительно лучше переносят изменения
условий внешней среды и существенно
быстрее размножаются, что позволяет
им выживать в весьма неблагоприятных
условиях.
Рассмотрим теперь более детально
строение и функции различных компо-
компонентов эукариотических клеток.
0,25 мкм
Рис. 2-7. Микрофото| рафия крысиного гепато-
цита (клетки печени основного типа), полученная
методом трансмиссионной электронной микро-
микроскопии. Красным цветом выделена плазматиче-
плазматическая мембрана, обладающая большой пло-
площадью поверхности и образующая многочис-
многочисленные складки. Эти пальцеобразные выросты
клеточной мембраны, благодаря которым зна-
значительно увеличивается площадь ее поверхно-
поверхности, более четко видны на микрофотографии
изолированного гепатоцита, полученной мето-
методом сканирующей электронной микроскопии
(рис. 2-20).
2.7. Ядро эукариот-это
очень сложная структура
В ядре содержится почти вся ДНК
эукариотической клетки. Как в жи-
животных клетках (рис. 2-7), так и в расти-
растительных (рис. 2-8) ядро окружено ядер-
ГЛ. 2. КЛЕТКИ
35
0,5 мкм
0,5 мкм
Рис. 2-8. А. Электронная микрофотография хо-
хорошо сформировавшегося ядра эукариотиче-
ской водоросли Chlamydomonas. Темное тельце
в центре ядра - это ядрышко, место образования
основных компонентов рибосом. По периферии
ядрышка можно видеть частично сформировав-
сформировавшиеся рибосомы. Ядерная оболочка состоит из
двух тесно прилегающих друг к другу мембран
с ядерными порами; две из них показаны стрел-
стрелками. Б. Поверхность ядерной оболочки
с многочисленными ядерными порами. Через
поры можно увидеть внутреннее содержимое
ядра. Эта микрофотография получена методом
замораживания скалывания.
ной оболочкой, состоящей из двух близко
расположенных друг к другу мембран,
разделенных узким пространством. Че-
Через определенные интервалы обе мем-
мембраны ядерной оболочки сливаются друг
с другом, образуя отверстия с диаметром
около 90 нм- ядерные поры. Через эти от-
отверстия происходит обмен различными
веществами между ядром и цитоплаз-
цитоплазмой.
Внутри ядра находится ядрышко
(рис. 2-8), которое прокрашивается более
интенсивно благодаря высокому содер-
содержанию в нем рибонуклеиновой кислоты
(РНК). Ядрышко служит «фабрикой»
РНК; здесь же осуществляются первые
этапы синтеза рибосом.
В остальной части ядра содержится
хроматин, названный так за его способ-
способность окрашиваться характерным обра-
образом (рис. 2-7 и 2-8). Хроматин состоит из
ДНК, РНК и ряда специфических белков.
В промежутках между делениями клеток
хроматин распределяется случайным
образом по всему ядру, а непосредствен-
непосредственно перед делением собирается в ди-
дискретные гранулярные тельца -хромо-
-хромосомы. Эукариотические клетки данного
вида содержат строго определенное чис-
число хромосом; например, в соматических
клетках человека имеется 46 хромосом.
После репликации образовавшиеся до-
дочерние хромосомы расходятся и по-
попадают в дочерние клетки в резуль-
результате весьма сложной последовательно-
последовательности событий -митоза. Наиболее важ-
важные стадии митоза показаны на рис.
2-9. После завершения митоза хрома-
хроматин вновь распределяется по всему
ядру.
Таким образом, хорошо оформленное
ядро эукариотической клетки имеет
очень сложную структуру и выполняет
значительно более сложные биологиче-
биологические функции по сравнению с относи-
относительно простым ядерным тельцем прока-
прокариот.
36
ЧАСТЬ 1 БИОМОЛЕКУЛЫ
Цитоплазма Хроматин Ядрышко
- Ядерная оболочка
• Ядерная пора
Центриоль
Аппарат веретена,
состоящий из двух
наборов микротрубочек
Хромосома
Хроматиды
Рис. 2-9. Основные этапы митоза в зукариоти-
ческой клетке. А. Период между клеточными де-
делениями. Хроматин дисперсно распределен по
всему ядру. Б. Начало деления клетки. Хроматин
конденсируется с образованием хромосом и ре-
реплицируется. Ядерная оболочка начинает распа-
распадаться. На полюсах клетки формируется аппа-
аппарат веретена; ядрышко растворяется. В. Хромо-
Хромосомы расходятся к противоположным полюсам.
Каждая дочерняя клетка получает полный набор
хромосом. Г. Два дочерних ядра. Образуются их
ядерные оболочки и ядрышки; хроматин распре-
распределяется по всему ядру и начинается деление ма-
материнской клетки с образованием дочерних
клеток.
Нити веретена
2.8. Митохондрии -
«силовые установки»
эукариотических клеток,
поставляющие энергию
Весьма заметное место в цитоплазме
эукариотических клеток занимают мито-
митохондрии (рис. 2-10). Размеры, внешний
вид, число митохондрий, а также место
их локализации могут варьировать
в очень широких пределах в зависимости
от вида клеток. В каждой клетке печени
крысы содержится около 1000 митохон-
митохондрий. Их диаметр составляет примерно
1 мкм, т. е. по своим размерам митохон-
митохондрии мало отличаются от бактериальных
клеток. Эукариотические клетки неко-
некоторых типов, например сперматозоиды
или дрожжевые клетки, содержат всего
лишь несколько очень крупных митохон-
митохондрий, тогда как другие, например кури-
куриной яйцо,-много тысяч митохондрий.
Иногда митохондрии образуют сильно
разветвленные структуры и занимают
значительную часть объема цитоплазмы.
Каждая митохондрия имеет две мем-
мембранные системы. Гладкая внешняя мем-
мембрана полностью окружает всю мито-
митохондрию. Внутренняя же мембрана обра-
образует выступающие внутрь митохондрии
складки - кристы. В митохондриях пече-
печени число крист сравнительно невелико,
тогда как в сердечных клетках имеется
очень много крист, причем они распола-
располагаются параллельно друг другу. Внутрен-
Внутреннее пространство митохондрий заполне-
заполнено гелеподобным веществом - матрик-
сом.
Митохондрии выполняют в клетке
функцию «силовых установок», поста-
поставляющих энергию. В них содержится
большое число ферментов, которые со-
сообща катализируют окисление органиче-
органических питательных веществ клетки моле-
молекулярным кислородом до двуокиси угле-
углерода и воды. Одни из этих ферментов
находятся в матриксе, другие-во вну-
внутренней мембране. В процессе окисления
выделяется большое количество энергии,
которая используется для образования
аденозинтрифосфата (АТР) - главной
молекулы, запасающей энергию в клетке.
Образованные в митохондриях моле-
молекулы АТР диффундируют во все части
клетки, где используются для выполне-
выполнения необходимой работы.
ГЛ. 2. КЛЕТКИ
37
Внутренняя
мембрана
Кристы
Внешняя мембрана
I
Матрикс (пространство,
ограниченное внутренней
мембраной)
0,5 мкм
Рис. 2-10. Структура митохондрий. Название
митохондрий происходит от греческих слов
"mitos" - нить и "chondros" - зерно или семя.
В некоторых клетках митохондрии имеют вытя-
вытянутую, почти нитевидную форму, однако в боль-
большинстве случаев для них характерна эллиптиче-
эллиптическая или сферическая форма. На приведенной
здесь электронной микрофотографии митохон-
митохондрии из клетки поджелудочной железы видна
гладкая внешняя мембрана и многочисленные
складки внутренней мембраны- кристы.
В митохондриях содержится неболь-
небольшое количество ДНК, а также РНК и ри-
рибосомы. Митохондриальная ДНК коди-
кодирует синтез некоторых специфических
белков внутренней мембраны. Может
возникнуть вопрос: почему в митохон-
митохондриях содержится ДНК? Этот вопрос
привел к созданию интересной концеп-
концепции, согласно которой митохондрии воз-
возникли в ходе эволюции путем вторжения
в цитоплазму крупных прокариотических
анаэробных клеток других прокариоти-
прокариотических клеток меньшего размера, спо-
способных использовать молекулярный кис-
кислород для окисления питательных ве-
веществ (рис. 2-11). Вторгнувшиеся бакте-
бактерии стали, таким образом, паразитами
в клетках-хозяевах. В ходе дальнейшей
эволюции эти взаимоотношения при-
приобрели со временем характер симбиоза,
выгодного как для хозяина, так и для па-
паразита. Сейчас мы знаем, что во время
деления клетки митохондрии тоже делят-
делятся. Таким образом, не исключено, что
ДНК и рибосомы митохондрий - это по-
потомки ДНК и рибосом тех мелких бакте-
бактерий, которые когда-то вторглись в клет-
клетку.
Мелкая аэробная бактерия,
способная использовать 02
;нк
О
Крупная бактерия-хозяин,
не способная использовать 02
для окисления питательных веществ
ДНК в нуклеоиде
Мелкая
бактерия
[роникает—»
'в цитоплаз-
цитоплазму клетки-
хозяина и
размножается
Рис. 2-11. Правдоподобная гипотеза о возник-
возникновении митохондрий в ходе эволюции. Эта ги-
гипотеза основана на поразительном сходстве
многих биохимических и генетических свойств
у бактерий и митохондрий эукариотических кле-
клеток. В процессе эволюции эукариотических кле-
клеток между клеткой-хозяином и проникшей в ее
цитоплазму бактерией установились взаимовы-
взаимовыгодные симбиотические отношения. В конечном
счете зти цитоплазматические бактерии превра-
превратились в митохондрии.
Эво юция
Мелкая э ка-
бактерия за- Рио"
крепляет свои ™их
позиции как к е-
.внутриклеточ- т к
)ный симбионт, ^т^
/Она сотрудни-
сотрудничает с клеткой-
хозяином.обес-
печивая окисление
питательных веществ
Митохондрии со
своей ДНК
Двойная мембра-
мембрана, окружающая
ядро современ-
современной эукариоти-
ческой клетки
38
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
2.9. Эндоплазматический ретикулум
образует каналы в цитоплазме
В цитоплазме практически всех эука-
риотических клеток имеется очень
сложный трехмерный лабиринт мем-
бранн ых каналов - эндоплазматич еский
ретикулум, многочисленные складки
и разветвления которого заполняют всю
цитоплазму (рис. 2-12). Пространства
внутри эндоплазматического ретикулу-
ма, называемые цистернами, исполь-
используются в качестве каналов, по которым
осуществляется транспорт различных ве-
веществ, как правило, из клетки во внеш-
внешнюю среду. Однако в некоторых клетках
цистерны служат хранилищами запа-
запасенных питательных веществ. Суще-
Существуют два типа эндоплазматического
ретикулума: шероховатый и гладкий. На-
Наружная поверхность мембраны шерохо-
шероховатого эндоплазматического ретикулума
усеяна рибосомами, тогда как в гладком
эндоплазматическом ретикулуме рибо-
рибосом нет. Рибосомы, связанные с шерохо-
шероховатым эндоплазматическим ретикулу-
мом, участвуют в биосинтезе белков,
которые либо временно остаются в клет-
клетке, либо сразу же выводятся из нее. Бел-
Белки, синтезированные на связанных с мем-
мембраной рибосомах, проталкиваются че-
через мембрану внутрь цистерн, откуда
в конечном счете выводятся во внекле-
внеклеточное пространство. Эндоплазматиче-
Эндоплазматический ретикулум играет также какую-то
роль в биосинтезе липидов. В зукариоти-
ческих клетках различных типов он раз-
различается по форме и выполняет разные
функции. Так, в клетках скелетных мышц,
сокращение которых стимулируется ио-
ионами Са+, эндоплазматический рети-
ретикулум участвует в процессе расслаб-
расслабления, обеспечивая реабсорбцию ионов
Са2 + .
0,5 мкм
Цистерны
Рис. 2-12. А. Эндоплазматический ретикулум
(шероховатый) клетки поджелудочной железы
Клетки этого типа очень активно сии i езируют
белки на рибосомах, прикрепленных к внешней
поверхности мембраны, а затем секретируют их
в цистерны. Слева видна часть митохондрии. Б.
Отдельные рибосомы и цистерны при большем
увеличении. В. Схема, иллюстрирующая ipex-
мерную структуру шдоплазматического ретику-
ретикулума. Видно, как из узких цистерн формируются
сплошные лабиринтоподобные каналы, про-
пронизывающие значительную часть цитоплазмы
клетки.
/
Рибосомы
ГЛ. 2. КЛЕТКИ
39
2.10. Тельца Гольджи-
секреторные органеллы
Почти все эукариотические клетки со-
содержат характерные скопления окру-
окруженных мембранами пузырьков, назы-
называемые тельцами Гольджи (рис. 2-13).
Такое название они получили в честь
итальянского цитолога Камилло Гольд-
Гольджи, впервые описавшего эти образования
в конце XIX в. В эукариотических клетках
различных типов тельца Гольджи имеют
разную форму, однако наиболее харак-
характерна стопкообразная структура, состоя-
состоящая из уплощенных пузырьков, каждый
из которых окружен одиночной мем-
мембраной. От краев пузырьков больших
размеров отпочковываются сферичес-
сферические пузырьки гораздо меньших раз-
размеров.
В тельца Гольджи из эндоплазматиче-
ского ретикулума поступает ряд кле-
клеточных продуктов; здесь они «пакуются»
в секреторные пузырьки, которые затем
перемещаются к внешней плазматиче-
плазматической мембране и сливаются с ней. Слив-
Слившиеся с мембраной пузырьки могут
в дальнейшем разрываться, высвобождая
свое содержимое во внеклеточную среду;
этот процесс, называемый экзоцитозом,
часто используется для транспортировки
готовых компонентов внешней клеточ-
клеточной стенки из внутренней части клетки,
где они синтезируются, к внешней, где
они присоединяются к растущей клеточ-
клеточной стенке.
0,25 мкм
Рис. 2-13. А. Тельце Гольлжи в цитоплазме
амебы. Мелкие сферические пузырьки отще-
отщепляются от краев более крупных уплощенных
пузырьков. Б. Рисунок, показывающий про-
пространственное строение тельца Гольджи.
2.11. Л изосомы - контейнеры
с гидролитическими ферментами
Лизосомы-это окруженные мембра-
мембраной сферические пузырьки, встречающие-
Рис. 2-14. Л изосомы и пероксисомы- это «меш-
«мешки» с ферментами. А. Часть клетки коры надпо-
надпочечника. Темные овальные тельца различной
формы - это лизосомы. По своим размерам они
меньше митохондрий. Лизосомы содержат бо-
более^ гидролитических ферментов; кроме того,
в них иногда обнаруживаются складки «излиш-
«излишней» мембраны, в которых находятся белки
и другие компоненты клетки. Б. Пероксисома.
Кристаллическое вещество-это уратоксидаза,
один из нескольких содержащихся в пероксисо-
мах ферментов, образующих перекиси.
40
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
ся в цитоплазме клетки (рис. 2-14). Раз-
Размеры их варьируют, но, как правило, не
превышают размеров митохондрий. Ли-
зосомы содержат много различных фер-
ферментов, способных переваривать, т.е.
расщеплять путем гидролиза, уже не-
ненужные клеточные белки, полисахариды
и липиды. Поскольку такие ферменты
могут разрушить и остальное содержи-
содержимое клетки, они заключены в лизосомы.
Белки и другие компоненты, которые не-
необходимо разрушить, избирательно
переносятся внутрь лизосом, где подвер-
подвергаются гидролитическому расщеплению
до простейших составных частей, посту-
поступающих затем обратно в цитоплазму.
У людей с наследственной болезнью
Тея-Сакса в лизосомах нет ряда фер-
ферментов, гидролизующих липиды, в ре-
результате чего некоторые из этих соедине-
соединений накапливаются в мозгу и других
тканях, что приводит к задержке ум-
умственного развития.
2.12. Пероксисомы -
пузырьки, разрушающие
перекись водорода
Еще один тип окруженных мембраной
цитоплазматических органелл предста-
представляют пероксисомы (рис. 2-14). Эти
структуры, известные также под назва-
названием микротельца, несколько крупнее ли-
лизосом, имеют одиночную внешнюю мем-
мембрану и содержат большое количество
белка, часто в кристаллическом виде.
Внутри этих структур заключены фер-
ферменты, образующие и использующие
перекись водорода, откуда и происходит
их название-пероксисомы. Необычайно
токсичная для клеток перекись водорода
(Н2О2) расщепляется в пероксисомах на
воду и кислород под воздействием еще
одного содержащегося в них фермента —
каталазы. Благодаря тому что фер-
ферменты, образующие перекись водорода,
и каталаза локализованы внутри перок-
сисом, остальное содержимое клетки за-
защищено от разрушающего воздействия
перекисей.
2.13. Микрофиламенты
участвуют в сократительных
процессах клеток
Исследования, проведенные методом
электронной микроскопии с высокой раз-
разрешающей способностью, показали, что
в цитоплазме большинства эукариотиче-
ских клеток содержатся многочисленные
нити, или филаменты, состоящие из по-
последовательно соединенных друг с дру-
другом белковых молекул. Существуют три
класса таких нитей, различающихся по
25
мкм
Рис. 2-15. Актиновые и миозиновые нити в фи-
бробластах - специализированных клетках
соединительной ткани. А. Тонкие актиновые ни-
нити, выявленные с помощью флуоресцентного
маркера. Б. Миозиновые нити, расположенные
около ядра.
ГЛ. 2. КЛЕТКИ
41
диаметру, составу и функциям. Наиболее
тонкие из нкк-микрофиламенты (микро-
(микронити) имеют диаметр около 5 нм
(рис. 2-15). Часто они образуют напо-
напоминающие паутину сплетения непосред-
непосредственно под клеточной мембраной. Было
показано, что микрофиламенты иден-
идентичны тонким актиновым нитям сокра-
сократительного аппарата скелетной мышцы.
Микронити участвуют в создании напря-
напряжения, возникающего при сокращении
мышцы, образовании складок или выпя-
выпячиваний клеточной мембраны, а также
при перемещении различных структур
внутри клеток.
Второй тип нитей в эукариотических
клетках-это миозиновые нити, которые
намного толще актиновых (рис. 2-15).
Миозиновые нити-основной компонент
сократительного аппарата скелетной
мышцы, однако они встречаются и в не-
немышечных клетках, часто в ассоциации
с тонкими актиновыми нитями. В клет-
клетках некоторых типов миозиновые нити
прикреплены к клеточной мембране. Ак-
тиновые и миозиновые нити связаны
с различными видами клеточных и вну-
внутриклеточных передвижений.
Нити третьего типа еще толще, их диа-
диаметр составляет около 10 нм. Такие нити
обнаруживаются во многих клетках
и имеют разные названия.
2.14. Микротрубочки также
связаны с клеточными движениями
Многие эукариотические клетки,
в частности длинные клетки нервной си-
системы животных, содержат микротру-
микротрубочки диаметром около 25 нм (рис. 2-16).
Каждая микротрубочка состоит из 13
плотно упакованных нитей белковых мо-
молекул, расположенных вокруг полой
сердцевины. В нервных клетках пучки ми-
микротрубочек участвуют в транспорте ве-
веществ из тела клетки к концам клеточных
отростков - аксонов. Микротрубочки вы-
выполняют много функций. Например, при
их участии осуществляется работа мито-
тического веретена во время деления кле-
клеток; они играют также роль двига-
двигательных элементов в ворсинках и жгути-
жгутиках эукариот.
Растворимый
[имер тубулина
Рис. 2-16. Микротрубочки. Эти длинные полые
структуры выполняют множество функций
в клетке. Они придают клеткам форму, уча-
участвуют в клеточном делении (рис. 2-9) и транс-
транспорте веществ, играют роль подвижных струк-
структурных компонентов ресничек и жгутиков
(рис. 2-18) в эукариотических клетках и обра-
образуют часть цитоскелета (рис. 2-17). А. Строение
микротрубочки. Она собрана из комплексов
двух белков-а- и Р-тубулина. Эти белки обра-
образуют 13 вертикальных нитей, расположенных
в виде спирали вокруг полой сердцевины. Диа-
Диаметр и шаг спирали несколько варьируют у раз-
разных клеток. Б. Поперечное сечение микротру-
микротрубочки, на котором 13 вертикальных нитей видны
с торца.
42
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
2.15. Микрофиламенты,
микротрубочки
и микротрабекулярная сеть
образуют цитоскелет
Во многих эукариотических клетках
микрофиламенты различных типов и ми-
микротрубочки в совокупности образуют
гибкий каркас, получивший название ци-
тоскелета. Недавно был открыт третий
компонент цитоскелета-лшкротрабеку-
лярная сеть (см. фотографию перед нача-
началом данной главы). Эта структура была
обнаружена при помощи высоковольтно-
высоковольтного электронного микроскопа, обладаю-
обладающего очень высокой разрешающей спо-
способностью. До применения этого метода
микротрабекулярную сеть удавалось на-
наблюдать только в виде неразрешаемого
фона, названного основным веществом
цитоплазмы. Микротрабекулярная сеть
состоит из очень тонких переплетающих-
переплетающихся нитей, химический состав которых по-
пока неизвестен, но в них почти наверняка
содержатся белки. Точная трехмерная
организация и функция микротрабеку-
лярной сети в различных клетках в на-
настоящее время активно исследуются.
Рис. 2-17. А. Электронная микрофотография во-
волокнистого цитоскелета фибробласта. Б. Схема-
Схематическое изображение цитоскелета фибробласта.
Длинные трубки-это микротрубочки, а более
тонкие элементы - микрофиламенты различных
типов.
Цитоскелет придает клеткам их харак-
характерный внешний вид и форму, служит ме-
местом прикрепления внутриклеточных ор-
ганелл и различных телец, фиксируя их
местоположение в клетке, а также обеспе-
обеспечивает возможность взаимосвязи между
составными частями клетки. Цитоскелет
следует рассматривать не как жесткий
постоянный каркас клетки, а как подвиж-
подвижную, изменяющуюся во времени структу-
структуру. Микротрубочки, например, постоян-
постоянно собираются из их составных частей
и вновь распадаются. Строение цитоске-
цитоскелета фибробласта человека схематически
показано на рис. 2-17.
2.16. Реснички и жгутики позволяют
клеткам передвигаться
Реснички и жгутики-подвижные
структуры, или отростки, выступающие
с поверхности многих одноклеточных эу-
кариот и некоторых клеток животных (но
не растений), построены по одному обще-
общему архитектурному плану (рис. 2-18).
Важно, однако, подчеркнуть, что жгутики
эукариот очень сильно отличаются от
жгутиков прокариот. Жгутики прокариот
намного тоньше A0-20 нм) и состоят из
отдельных белковых нитей. Они предста-
представляют собой упругие, изогнутые стер-
стерженьки, вращательное движение которых
целиком зависит от расположенных
в клеточной мембране «моторов». Жгу-
Жгутики эукариот гораздо толще B00 нм),
имеют более сложную структуру и спо-
способны самостоятельно вращаться по
всей своей длине. Реснички и жгутики эу-
эукариот окружены выступами клеточной
мембраны и содержат по 9 пар микро-
микротрубочек, расположенных вокруг 2 цен-
центральных трубочек; при этом образуется
так называемая структура 9 + 2
(рис. 2-18). Реснички и жгутики имеют
одинаковый диаметр, но длина ресничек
(не превышающая 10 мкм) значительно
меньше длины жгутиков (не более
200 мкм). В большинстве случаев реснич-
реснички служат для того, чтобы передвигать
вещества вдоль поверхности клетки с по-
помощью волнообразных, напоминающих
греблю движений, тогда как жгутики дей-
действуют как пропеллеры, проталкиваю-
ГЛ. 2. КЛЕТКИ
43
0,5 мкм
Рис. 2-18. Реснички и жгутики имеют одинако-
одинаковое строение, но реснички значительно короче.
Пары микротрубочек окружены выступающими
за пределы клетки цитоплазмой и клеточной
мембраной. Скольжение и закручивание микро-
микротрубочек относительно друг друга, стимулиро-
стимулированные АТР, вызывают волнообразные движе-
движения жгутиков. А. Параллельно расположенные
микротрубочки ресничек на продольном срезе.
Б. Поперечный срез ресничек. Видна структура
9 + 2, образованная девятью парами или де-
девятью двойными микротрубочками, располо-
расположенными вокруг двух центральных трубочек. В.
Принцип действия жгутика сперматозоида, про-
проталкивающего вперед всю клетку.
щие клетку вперед. Сперматозоиды жи-
животных имеют один длинный жгутик
(рис. 2-18). Движения ресничек и жгути-
жгутиков обусловлены сложными скользящи-
скользящими перемещениями отдельных микро-
микротрубочек относительно друг друга вну-
внутри' структуры 9 + 2.
Скольжение нитей или микротрубочек
относительно друг друга за счет энергии
АТР-это процесс, лежащий в основе со-
сокращения скелетной мышцы, враща-
вращательных движений ресничек и жгутиков,
а также образования характерных выпя-
выпячиваний, углублений и складок при дви-
Направление движения
В
жении клеточной мембраны, что наблю-
наблюдается, например, у амебы.
2.17. В цитоплазме
содержатся также
гранулярные тельца
В цитоплазме эукариот содержатся
также гранулярные элементы, не отгра-
отграниченные мембранами. Главные из них —
рибосомы (рис. 2-19), одни из которых
находятся в цитоплазме в свободном со-
состоянии, а другие связаны с эндоплазма-
тическим ретикулумом. Рибосомы эука-
эукариот крупнее рибосом прокариот, однако
и те и другие выполняют одну и ту же ос-
основную функцию: биосинтез белков из
аминокислот.
Другой тип гранулярных элементов
в цитоплазме >укариотических клеток-
это гранулы гликогена (рис. 2-19), ко-
которые особенно часто встречаются
в клетках печени. Макромолекулы глико-
гликогена представляют собой сильно развет-
разветвленные цепи, образованные остатками
молекул глюкозы. Гранулы гликогена
выполняют функцию запасных источни-
44
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
0,05
мкм
Рис. 2-19. Гранулы гликогена (интенсивно окра-
окрашенные) в цитоплазме клетки печени хомяка.
Гранулы состоят из больших групп, образуемых
молекулами гликогена. По своим размерам они
значительно превышают рибосомы, которые
видны на поверхности эндоплазматического ре-
тикулума в нижнем правом углу.
ков энергии, особенно в клетках печени
и мышц. В некоторых эукариотических
клетках содержатся жировые капельки,
в которых также запасаются богатые
энергией вещества.
2.18. Цитозоль-
непрерывная водная фаза
цитоплазмы
Цитоплазматические органеллы, рибо-
рибосомы и другие гранулярные элементы по-
погружены в сплошную водную фазу -ци-
тозолъ. Цйтозоль-это не просто разба-
разбавленный водный раствор; его состав
весьма сложен, а консистенция прибли-
приближается к гелю. В цитозоле растворены
многие ферменты и ферментные си-
системы, а также другие белки, обеспечи-
обеспечивающие связывание, хранение и транс-
транспорт питательных веществ, микроэле-
микроэлементов и кислорода. В цитоплазме в виде
растворов содержится также огромное
число небольших биомолекул разных ти-
типов, к которым относятся не только
строительные блоки биополимеров, та-
такие, как аминокислоты и нуклеотиды, но
и сотни небольших молекул органиче-
органических соединений, так называемых мета-
метаболитов - промежуточных продуктов,
образующихся при биосинтезе или рас-
распаде макромолекул и их строительных
блоков. Например, превращение посту-
поступающей из крови глюкозы в молочную
кислоту в работающей скелетной мышце
осуществляется в результате последова-
последовательного образования 10 промежу-
промежуточных продуктов, причем только по-
последний из них непосредственно превра-
превращается в молочную кислоту.
К третьему классу растворенных в ци-
цитозоле веществ относятся различные ко-
ферменты, а также АТР и ADP-главные
компоненты системы переноса энергии
в клетке. И наконец, в цитозоле содер-
содержатся различные ионы неорганических со-
солей, такие, как К +, Mg2 +, Са2 +, С1",
HCOJ и НРО|.
Все составные части цитозоля поддер-
поддерживаются в постоянных концентрациях
и сбалансированных пропорциях благо-
благодаря функционированию систем, обеспе-
обеспечивающих их транспорт через плазмати-
плазматическую мембрану.
2.19. Клеточная мембрана
имеет большую площадь
поверхности
Выше уже шла речь о том, что для кле-
клеток, как правило, выгодно иметь боль-
большую площадь поверхности (по отноше-
отношению к объему) с тем, чтобы скорость
протекающих в них метаболических про-
процессов не лимитировалась скоростью по-
поступления питательных веществ и кисло-
кислорода внутрь клеток. В случае эукариот
эта проблема решается путем комбина-
комбинации двух факторов. Прежде всего, ско-
скорость метаболизма в большинстве эука-
эукариотических клеток значительно ниже,
чем в прокариотических, поскольку для
сохранения вида прокариотам требуется
ГЛ. 2. КЛЕТКИ
45
максимально возможная скорость роста
и размножения клеток. Для роста необ-
необходима энергия, поступающая в клетку
либо в виде питательных веществ, либо
в форме поглощенной ею энергии света;
поэтому для обеспечения максимальной
эффективности усвоения питательных ве-
веществ или улавливания энергии света
прокариоты должны иметь большую
площадь поверхности клеточной мем-
мембраны по отношению к объему клетки.
Что же касается эукариотических клеток,
то у них нет такой настоятельной необхо-
необходимости быстро расти и делиться, и по-
потому их энергетические потребности
обычно не столь велики.
Вместе с тем эукариотические клетки
характеризуются специфическими струк-
структурными особенностями, обеспечиваю-
обеспечивающими максимальное отношение площа-
площади поверхности клетки к объему. Так,
нервные клетки, в которых интенсив-
интенсивность метаболизма относительно высо-
высока, имеют длинную и узкую форму и со-
соответственно большую площадь поверх-
поверхности. Форма других клеток может быть
весьма разветвленной или звездообраз-
звездообразной, однако чаще всего площадь поверх-
поверхности клетки увеличивается благодаря
образованию на ней многочисленных
складок или пальцеообразных отростков
(так называемых микроворсинок) клеточ-
клеточной мембраны. Как видно на фотографии
клетки печени, полученной методом
трансмиссионной электронной микро-
микроскопии (см. рис. 2-7), клеточная мембра-
мембрана имеет отнюдь не гладкую, а весьма не-
неровную поверхность. Это свойство мем-
мембраны еще более явно выражено на
фотографии поверхности клетки печени,
полученной методом сканирующей элек-
электронной микроскопии (рис. 2-20). Ми-
Микроворсинки есть у многих животных
клеток и, в частности, у клеток, высти-
выстилающих внутренний просвет тонкого ки-
кишечника, по которому молекулы пита-
питательных веществ должны проходить
с высокой скоростью в ходе усвоения
переваренной пищи.
2.20. На поверхности многих
животных клеток имеются
также «антенны»
С внешней стороны плазматической
мембраны многие клетки животных тка-
тканей имеют тонкую гибкую клеточную
оболочку. В ней содержится большое
число разнообразных полисахаридных,
липидных и белковых молекул, располо-
расположенных на наружной стороне плазмати-
плазматической мембраны. На поверхности клет-
клетки находится много различных молеку-
молекулярных структур, принимающих и рас-
распознающих внешние сигналы. К их числу
относятся участки распознавания клеток,
5мкм
Рис. 2-20. Микрофотография поверхности изо-
изолированной клетки печени крысы, полученная
методом сканирующей электронной микроско-
микроскопии. Видно, что площадь поверхности клетки
сильно увеличена за счет микроворсинок, форма
и расположение которых постоянно меняются.
46
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
при помощи которых однотипные клетки
узнают друг друга и прикрепляются одна
к другой, образуя структуру специфиче-
специфических тканей. На поверхности многих жи-
животных клеток имеются также рецеп-
торные участки, связывающие раз-
различные гормоны. Гормоны-это химиче-
химические посредники, секретируемые опреде-
определенными клетками в кровь; они регули-
регулируют активность других клеток в каком-
то ином месте организма. Связываясь
с рецепторными участками на поверхно-
поверхности клетки-мишени, молекулы гормонов
стимулируют определенный аспект кле-
клеточной активности. Другие специфиче-
специфические участки на поверхности животных
клеток могут распознавать и связывать
некоторые чужеродные для данных кле-
клеток белки. Связывание чужеродных бел-
белков с такими участками вызывает от-
ответные реакции клеток, в результате чего
развивается аллергия. Эти же специфиче-
специфические участки отвечают за отторжение чу-
чужеродных для данного реципиента тка-
тканей и органов после их хирургической
пересадки. Таким образом, поверхность
многих животных клеток представляет
собой поистине сложную мозаику, сос-
составленную из различных чувствительных
молекулярных «антенн», при помощи ко-
которых клетки общаются с внешним ми-
миром и отвечают на воздействие специфи-
специфических агентов, присутствующих в окру-
окружающей среде.
2.21. Эукариотические
клетки растений имеют
некоторые специфические
особенности
Эукариотические клетки высших расте-
растений (рис. 2-21) несколько отличаются от
клеток высших животных, несмотря на
сходство их основных особенностей. По-
Пожалуй, наиболее явное различие состоит
в том, что большинство растительных
клеток содержит пластиды. Пластиды-
это расположенные в цитоплазме специа-
специализированные органеллы, окруженные
двумя мембранами. К самым типичным
пластидам, характерным для всех клеток
зеленых растений, относятся хлоро-
пласты (рис. 2-22). Подобно митохон-
митохондриям хлоропласты можно рассматри-
Рис. 2-21. Электронная микрофотография клет-
клетки листа кукурузы. Заметьте, что по своим раз-
размерам хлоропласты значительно превышают
митохондрии, однако число их меньше числа
митохондрий. По мере увеличения возраста
клетки вакуоль обычно становится крупнее. Кле-
Клеточная стенка относительно толстая и жесткая.
Клеточная с l'Hkh
Ккточная мембран
Крахма 1ыюе jrpno
Хлоропласт
ГЛ. 2. КЛЕТКИ
47
Внутренняя мембрана
\
Наружная мембрана,
\
Строма
илакоидные
[узырьки, образован-
образованные складками внутрен-
внутренней мембраны
Рис. 2-22. Хлоропласт фотосинтезирующен
клетки листа салата.
вать как «силовые установки», поста-
поставляющие энергию. Существенное разли-
различие между ними заключается в том, что
хлоропласты-это солнечные силовые
установки, использующие энергию света,
тогда как митохондрии-хылшческые «си-
«силовые установки», использующие хими-
химическую энергию молекул питательных
веществ. Хлоропласты поглощают свето-
световую энергию и используют ее для восста-
восстановления двуокиси углерода с образова-
образованием углеводов, например крахмала, что
сопровождается высвобождением моле-
молекулярного кислорода (О2). Фотосинтези-
рующие клетки растений содержат как
хлоропласты, так и митохондрии, причем
хлоропласты служат «силовыми установ-
установками» на свету, а митохондрии-в темно-
темноте, когда окисляются углеводы, образо-
образовавшиеся в процессе фотосинтеза
в дневное время.
Хлоропласты значительно крупнее ми-
митохондрий и могут иметь самую разную
форму. Из-за высокого содержания в фо-
тосинтезирующих клетках пигмента хло-
хлорофилла они обычно окрашены в зеленый
цвет, однако их окраска может меняться
в зависимости от относительных коли-
количеств других пигментов, содержащихся
в хлоропластах. Молекулы этих пигмен-
пигментов, которые в совокупности способны
поглощать световую энергию во всей ви-
видимой области спектра, располагаются
во внутренней мембране хлоропласта.
Эта мембрана свернута весьма сложным
образом в виде дисков, называемых ти-
1 мкм
лакоидами. Подобно митохондриям хло-
хлоропласты тоже содержат ДНК, РНК
и рибосомы. Вполне вероятно, что хлоро-
хлоропласты, как и митохондрии, произошли
в ходе эволюции эукариотических клеток
из паразитирующих прокариот (см.
рис. 2-11). Однако в данном случае про-
прокариотами, проникшими в другие более
крупные прокариотические клетки, были,
по-видимому, примитивные цианобакте-
рии, придавшие клеткам способность
к фотосинтезу и образованию кисло-
кислорода.
Растительные клетки содержат также
пластиды других типов. В бесцветных
лейкопластах запасаются крахмал и мас-
масла. Значительное место во многих расти-
растительных клетках занимают окруженные
одиночной мембраной крупные пузырь-
пузырьки вакуоли (см. рис. 2-21). Они запол-
заполнены клеточным соком и различными
продуктами, являющимися отходами ме-
метаболизма. Эти продукты часто агреги-
агрегируют с образованием кристаллических
отложений. В молодых клетках вакуоли
имеют небольшую величину, но по мере
старения клеток их размеры увеличи-
увеличиваются, и часто они заполняют весь
объем клетки. Вакуоли встречаются так-
также и в некоторых животных клетках, но
здесь они, как правило, значительно
мельче. У растительных клеток нет ни ре-
ресничек, ни жгутиков.
Большинство клеток высших растений
полностью окружено клеточной стенкой,
которая служит в основном жесткой за-
48
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
0,5 мкм
щитной оболочкой. Клеточная стенка
сравнительно толста, имеет пористое
строение и очень прочна (рис. 2-21
и 2-23). Она состоит из целлюлозных во-
волокон, «склеенных» друг с другом
сложными полимерными цементирую-
цементирующими веществами. Вода и небольшие мо-
молекулы легко проходят через поры в кле-
клеточной стенке, которая, однако, предо-
предохраняет клетку от набухания и растяже-
растяжения. В одеревеневших частях растений
и стволах деревьев первичные клеточные
стенки окружены толстыми прочными
внешними, или вторичными, стенками.
В совокупности они могут выдерживать
огромные нагрузки.
2.22. Вирусы-надмолекулярные
паразиты
Наш обзор, в котором клетки рассма-
рассматриваются как единицы живой материи,
не может быть полным, если мы не кос-
коснемся вирусов. Хотя вирусы и не являют-
являются живыми, они представляют собой
образующиеся биологическим путем
надмолекулярные комплексы, которые
способны к самовоспроизведению в со-
соответствующих клетках-хозяевах. Вирус
состоит из молекулы нуклеиновой кис-
кислоты и окружающей ее защитной обо-
оболочки, или капсида, построенной из бел-
белковых молекул. Вирусы существуют
в двух состояниях. Вне сформировавших
их клеток вирусы представляют собой
Рис. 2-23. Электронная микрофотография кле-
клеточной стенки растений. Стенка состоит из пере-
перекрещивающихся слоев целлюлозных волокон,
погруженных в органический «клей». Стенки
растительных клеток очень прочны, по своей
структуре они напоминают бетонную плиту,
укрепленную стальной арматурой.
просто неживые частицы, называемые
вирионами, которые имеют правильную
форму, определенные размеры и химиче-
химический состав. Некоторые вирусы можно
получить даже в кристаллическом виде;
следовательно, они ведут себя как
чрезвычайно крупные молекулы. Однако
как только вирусная частица (или ее ну-
нуклеиновая кислота) проникает в специфи-
специфическую для нее клетку-хозяина, форма ее
существования качественно изменяет-
изменяется-она становится внутриклеточным па-
паразитом. Вирусная нуклеиновая кислота
несет генетическую информацию, опре-
определяющую всю структуру интактного ви-
риона. Она подчиняет себе весь биохими-
биохимический аппарат клетки-хозяина, нарушая
его нормальное функционирование,
и переключает ферменты и рибосомы
клетки с синтеза нормальных клеточных
компонентов на производство множе-
множества новых дочерних вирусных частиц.
В результате заражение клетки-хозяина
одним-единственным вирионом может
привести к образованию десятков или да-
даже сотен новых вирусных частиц
(рис. 2-24). В одних системах хозяин-ви-
хозяин-вирус образовавшиеся вирионы высвобо-
высвобождаются из клетки-хозяина, которая
в дальнейшем погибает и подвергается
лизису. В других же системах вновь син-
синтезированная вирусная нуклеиновая кис-
кислота остается внутри клетки-хозяина,
иногда лишь незначительно влияя на ее
жизнеспособность; однако часто при
ГЛ. 2. КЛЕТКИ
49
Вирион
Белковая оболочка
Нуклеиновая кислота
Бактериальная
клетка
Связывание вируса
со специфическими
участками на повер-
поверхности клетки
Пустая оболочка
Впрыснутая в клетку
<<Гнуклеиновая кислота
Воспроизведение
потомства
Лизис с освобожде-
освобождением вновь синтеза
рованных вирионов
Рис. 2-24. Репликация бактериофага в клетке-
хозяине.
этом происходят серьезные изменения
как во внешнем виде клетки-хозяина, так
и в ее функциях. Одни вирусы содержат
ДНК, а другие-РНК.
Известны сотни различных вирусов,
специфичных в отношении определенных
типов клеток-хозяев. Роль хозяев могут
играть клетки животных, растений или
бактерий (табл. 2-3). Вирусы, специ-
специфичные для бактерий, называются бакте-
бактериофагами, или просто фагами (слово
«фаг» означает поедать, поглощать).
Капсид вирусов может быть построен из
белковых молекул только одного типа,
как это имеет место, например, в случае
вируса табачной мозаики- одного из про-
простейших вирусов, который первым был
получен в кристаллическом виде
(рис. 2-25). Другие вирусы могут содер-
содержать десятки и сотни белков различных
типов. Размеры вирусов варьируют в ши-
широких пределах. Так, один из самых мел-
мелких вирусов, бактериофаг фХ174, имеет
диаметр 18 нм, тогда как один из самых
крупных вирусов-вирус осповакцины—
по размерам своих частиц соответствует
самым мелким бактериям. Вирусы раз-
различаются также по форме и степени
сложности их структуры. К числу наибо-
наиболее сложных относится бактериофаг Т4
(рис. 2-25), для которого клеткой-хозяи-
клеткой-хозяином служит Е. coli. Фаг Т4 имеет головку,
отросток («хвост») и сложный набор хво-
хвостовых нитей; при введении вирусной
ДНК в клетку-хозяина они действуют со-
совместно как «жало» или шприц для под-
подкожных инъекций. На рис. 2-25 и
в табл. 2-3 приведены данные о разме-
размерах, форме и массе частиц ряда вирусов,
а также тип и величина входящих в их со-
состав молекул нуклеиновых кислот. Неко-
Некоторые вирусы необычайно патогенны для
человека. К ним относятся, в частности,
вирусы, вызывающие оспу, полиомиелит,
грипп, простудные заболевания, инфек-
инфекционный мононуклеоз и опоясывающий
лишай. Считают, что причиной рака
у животных также являются вирусы, ко-
которые могут находиться в латентном со-
состоянии. Вирусы играют все более важ-
важную роль в биохимических исследова-
исследованиях, поскольку с их помощью удается
получать необычайно ценную информа-
50
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
Таблица 2-3. Свойства некоторых вирусов
Вирус
Бактериофаги E.coli
фХ 174
Т4
X (лямбда)
MS2
Вирусы растений
Вирус табачной
мозаики
Вирус кустистой
карликовости томата
Вирусы животных
Вирус полиомиелита
Обезьяний вирус 40
(SV40; вызывает рак
у новорожденных жи-
животных)
Аденовирус
(вызывает обычную
простуду)
Вирус оспы
Нуклеи-
Нуклеиновая
кислота
ДНК
ДНК
ДНК
РНК
РНК
РНК
РНК
ДНК
ДНК
ДНК
Масса
частицы,
106 даль-
тон
6
220
50
3,6
40
10,6
6,7
28
200
4000
Размер в
длину, нм
18
200
120
20
300
28
30
45
70
250
Форма
Многогранник
Головастикоподобная
Головастикоподобная
Многогранник
Палочковидная
Многогранник
Многогранник
Сферическая
Многогранник
Сферическая
цию о структуре хромосом, механизмах
ферментативного синтеза нуклеиновых
кислот и регуляции передачи генетиче-
генетической информации.
Краткое содержание главы
Все клетки имеют ограничивающую их
плазматическую мембрану, цитоплазму,
рибосомы и ядерную зону или ядро. Раз-
Размеры и форма клеток определяются ско-
скоростями физической диффузии молекул
питательных веществ и кислорода, а так-
также соотношением между площадью по-
поверхности и объемом клетки. Суще-
Существуют два больших класса клеток:
прокариотические и эукариотические.
Прокариоты, к которым относятся бак-
бактерии и сине-зеленые водоросли,-это
простые клетки малых размеров, харак-
характеризующиеся тем, что содержащийся
в них генетический материал не окружен
мембраной. У них есть клеточная стенка
и плазматическая мембрана, а некоторые
из них снабжены жгутиками, с помощью
которых они могут передвигаться. В ци-
цитоплазме прокариотических клеток нет
ограниченных мембраной органелл, но
есть рибосомы и гранулы питательных
веществ. Прокариотические клетки рас-
растут и делятся очень быстро. Бактерия
Escherichia coli, наиболее полно изу-
изученный представитель прокариот, оказа-
оказалась необычайно полезной для биохими-
биохимических и генетических исследований.
Эукариотические клетки намного круп-
крупнее прокариотических, их объем
в 1000-10000 раз больше объема прока-
прокариотических клеток. Наряду с четко вы-
выраженным и ограниченным мембраной
ядром с многочисленными хромосомами
в эукариотических клетках содержатся
окруженные мембраной органеллы.
К ним, в частности, относятся митохон-
митохондрии, функция которых состоит в окисле-
окислении клеточного «топлива» и образовании
АТР, а также хлоропласты (в фотосинте-
зирующих клетках), улавливающие энер-
ГЛ. 2. КЛЕТКИ
51
Рис. 2-25. А. Вирус табачной мозаики, имеющий
палочковидную форму. Электронная микрофо-
микрофотография (?) и модель (В) бактериофага
Т4 -сложного вируса, по своей форме напоми-
напоминающего головастика. После прикрепления кон-
концевых нитей бактериофага к специфическим
участкам на клеточной стенке Е. coli ДНК из го-
головки бактериофага впрыскивается через отро-
отросток («хвост») в клетку. Электронная микрофо-
микрофотография (Г) и составленная из теннисных
мячиков модель (Д) аденовируса, оболочка ко-
которого состоит из 252 белковых субъединиц,
образующих многогранник с 20 гранями (ико-
(икосаэдр).
гию света и использующие ее для превра-
превращения СО2 в глюкозу. Предполагается,
что митохондрии и хлоропласты про-
произошли от бактерий. В число органелл
эукариотических клеток входит и эндо-
плазматический ретикулум, функция ко-
которого заключается в том, что он напра-
направляет и транспортирует секретируемые
клеткой вещества к тельцам Гольджи,
где они упаковываются и выводятся из
25нм
клетки. Лизосомы содержат деструк-
деструктивные ферменты, а пероксисомы отде-
отделяют ферменты, образующие и разру-
разрушающие перекиси, от остального содер-
содержимого клетки. В цитоплазме эукариоти-
эукариотических клеток обнаруживаются микрофи-
ламенты по меньшей мере трех типов,
а также микротрубочки. Микрофила-
менты, микротрубочки и микротрабеку-
лярная сеть совместно образуют гибкий
внутренний каркас-цитоскелет. Многие
животные клетки снабжены ресничками
и жгутиками, винтообразные движения
которых осуществляются благодаря на-
наличию в них парных микротрубочек.
В эукариотических клетках присутствуют
также рибосомы. Одни из них находятся
в свободном состоянии, а другие связаны
с поверхностью шероховатого эндоплаз-
матического ретикулума. На внешней по-
поверхности животных клеток имеются
специфические участки, распознающие
52
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
и связывающие другие клетки и iop-
моны.
Вирусы представляют собой неживые
надмолекулярные структуры. Каждая ви-
вирусная частица состоит из одной моле-
молекулы нуклеиновой кислоты и окружаю-
окружающей ее белковой оболочки. Вирусы
способны заражать специфические для
них клетки, заставляя их воспроизводить
вирусные частицы в соответствии с гене-
генетической информацией, содержащейся
в вирусной нуклеиновой кислоте. Изуче-
Изучение вирусов позволило получить много
ценнных сведений о биохимических ас-
аспектах переноса генетической информа-
информации.
ЛИТЕРАТУРА
Учебники
Curtis H. Biology, 3d ed., Worth, New York,
1979. Прекрасно написанный и иллюстриро-
иллюстрированный учебник по общей биологии.
Dyson R.D. Cell Biology: A Molecular
Approach, 2d ed., Allyn and Bacon, Boston,
1978. Учебник с биохимической ориента-
ориентацией.
Fawcett D. W. The Cell, 2d ed., Saunders, Phil-
Philadelphia, 1981. Электронные микрофотогра-
микрофотографии различных клеток и тканей.
Karp G. Cell Biology, McGraw-Hill, New York,
1979. Особое внимание уделено молеку-
молекулярным аспектам передачи генетической
информации.
Ledbetter M.C., Porter K.R. Introduction to the
Fine Sctructure of Plant Cells, Springer-Verlag,
New York, 1970.
Loewy A. C, Siekevitz P. Cell Structure and
Function, 3d ed., Holt, New York, 1979.
Интересные книги
небольшого объема
Luria S. Life: The Unfinished Experiment,
Scribner's, New York, 1973. Лауреат Нобе-
Нобелевской премии в области молекулярной
биологии делает обзор современной биоло-
биологии и дает ей оценку.
Margulies L. Origin of Eukaryotic Cells, Yale
University Press, New Haven, Conn., 1970.
Интересное развитие одной из существую-
существующих теорий.
Thomas L. The Lives of a Cell: Notes of a Biology
Watcher, Viking, New York, 1974. Увлека-
Увлекательные очерки о жизни клеток, написанные
признанным лидером в области биометри-
биометрических исследований.
Некоторые статьи
по специальным вопросам
клеточной биологии
Berg H. How Bacteria Survive, Sci. Am., 233,
36-^4, August A975).
CapaldiR.A. A Dynamic Model of Cell
Membranes, Sci. Am., 230, 26-33, March
A974).
Everhart Т.Е., Hayes T. L. The Scanning Electron
Microscope, Sci. Am., 226, 54-69, January
A972).
Mazia D. The Cell Cycle, Sci. Am., 230, 54-64,
January A974).
Porter K.R., Tucker J. B. The Ground Substance
of the Living Cell, Sci. Am., 244, 56-67, March
A981).
Satir P. How Cilia Move, Sci. Am., 231, 44-63,
October A974).
Sloboda R. D. The Role of Microtubules in Cell
Structure and Cell Division, Amer. Sci., 68,
290-298 A980).
Wessells N.K. How Living Cells Change Shape,
Sci. Am., 225, 76-85, October A971).
Вопросы и задачи
Чтобы попять молекулярную логику кле-
клеток, мы должны научиться оценивать свой-
свойства и взаимодействие биомолекул как в каче-
качественном, так и в количественном отношении.
Мы должны также уметь анализировать
сложные явления, происходящие в живой
клетке, сводя эти явления к самым простым
компонентам и процессам, лежащим в их ос-
основе. С этой целью в конце каждой главы при-
приводится ряд задач, иллюстрирующих важные
биохимические принципы. Одни задачи
имеют конкретные численные решения, харак-
характеризующие размеры молекул и клеток или
скорости биохимических процессов. Чтобы
решить другие задачи, в которых требуется
проанализировать данную биохимическую
структуру или процесс, необходимо приме-
применить основные биохимические принципы и не-
немного подумать. Некоторые задачи относи-
относительно просты и имеют однозначные реше-
решения, тогда как другие требуют более серьезно-
серьезного подхода. Решение задач наилучший путь
для прочного усвоения основ биохимии.
Ниже перечислены книги, которые помо-
помогут читателю ознакомиться с биохимически-
биохимическими задачами и приобрести навыки в их
решении.
Montgomery R., Swenson С. A. Quantitative
Problems in Biochemical Sciences, 2d ed.,
Freeman, San Francisco, 1976.
ГЛ. 2. КЛЕТКИ
Segel L. Biochemical Calculations, 2d ed., Wiley,
New York, 1976. Особенно хорошо осве-
освещены вопросы ферментативной кинетики.
Wood W В., Wilson J. Н.. Benbow R. М., Hood L.
Е. Biochemistry: A Problems Approach, 2d
ed., Benjamin, Menlo Park, Calif., 1981.
В этой уникальной книге, охватывающей
широкий круг проблем, рассмотрены ос-
основные разделы биохимии и приведено боль-
большое число различных контрольных вопросов
и задач с численными решениями. Основные
разделы представлены примерно в той же по-
последовательности, что и в данной книге.
Ниже приведено несколько задач, относя-
относящихся к содержанию гл. 2. Их решение помо-
поможет читателю более четко уяснить геометри-
геометрические и численные соотношения, характери-
характеризующие структуру клеток и их функции. Для
упрощения цитирования и обсуждения каждая
задача имеет свое заглавие.
1. Малые размеры клеток и их составных ча-
частей. Из данных, приведенных в табл. 2-2,
приблизительно рассчитайте число а) кле-
клеток печени, б) митохондрий и в) молекул
миоглобина, которые можно поместить
в один слой на кончике булавки (диаметром
0,5 мм). Предполагается, что все структуры
имеют сферическую форму. Площадь круга
равна пг2, где п = 3,14.
2. Число растворенных молекул, содержащих-
содержащихся в самых мелких из известных клеток.
Самыми мелкими из всех известных клеток
являются микоплазмы-сферические клет-
клетки с диаметром около 0,33 мкм. Малые
размеры позволяют микоплазмам легко
проходить через фильтры, задерживающие
более крупные бактерии. Один из видов ми-
коплазм Mycoplasma pneumoniae. может вы-
вызывать первичную атипичную пневмо-
пневмонию.
а) Основным источником энергии для мико-
плазм служит D-глюкоза, ее концентрация
внутри таких клеток составляет около
1,0 мМ. Рассчитайте число молекул глю-
глюкозы, содержащихся в одной клетке. Число
Авогадро (число молекул в 1 моле неиони-
зированного вещества) равно 6,02-1023.
Объем сферы равен 4/Зпг3.
б) Во внутриклеточной жидкости микоплазм
содержится 10 г гексокиназы (мол. масса
100000) в 1 л. Рассчитайте молярную кон-
концентрацию гексокиназы —первого фермен-
фермента в цепи реакций, приводящих к расщепле-
расщеплению глюкозы с образованием энергии.
3. Компоненты Е. coli. Клетки ?. coli имеют
форму цилиндра высотой 2 мкм и диамет-
диаметром 0,8 мкм. Объем цилиндра вычисляется
по формуле nr2h, где й-высота цилиндра.
а) Сколько весит одна клетка Е. сой, если ее
плотность (главным образом за счет воды)
равна в среднем 1,1 г/см3?
б) Толшина защитной клеточной стенки Е.
coli равна 10 нм. Какую долю (в процентах)
обшего объема бактерии составляет кле-
клеточная стенка?
в) Е. coli быстро растет и размножается бла-
благодаря тому, что в ее клетке присутствует
около 15 000 сферических частиц-рибосом
(диаметр 18 нм), осуществляющих синтез
белков. Какая часть общего объема клетки
приходится на долю рибосом?
4. Генетическая информация в ДНК Е. coli.
Содержащаяся в ДНК генетическая инфор-
информация закодирована линейной последова-
последовательностью ключевых слов, называемых
кодонами. Каждый кодон представляет со-
собой специфическую последовательность
трех нуклеотидов (три пары нуклеотидов
в двухцепочечной ДНК) и соответствует
одному аминокислотному остатку в белке.
ДНК Е. coli имеет очень большую молеку-
молекулярную массу-примерно 2,5-109. Средняя
молекулярная масса пары нуклеотидов
равна 660, причем вклад каждой пары ну-
нуклеотидов в общую длину молекулы ДНК
составляет 0,34 нм.
а) Используя ли данные, рассчитайте длину
молекулы ДНК Е. coli. Сравните длину мо-
молекулы ДНК с размерами клетки. Каким
образом ей удается уместиться в клетке?
б) Подсчитайте, чему равно максимальное
число белков, которое может быть закоди-
закодировано в молекуле ДНК Е. coli, если пред-
предположить, что белковая молекула Е. coli со-
состоит в среднем из 400 аминокислот?
5. Высокая скорость метаболизма у бактерий.
Бактерии характеризуются значительно бо-
более высокой скоростью метаболизма по
сравнению с животными клетками.
В идеальных условиях бактериальная клет-
клетка обычно вдвое увеличивается в размерах
и делится каждые 20 минут, тогда как жи-
животным клеткам для этого требуется при-
примерно 24 ч. Из-за высокой скорости мета-
метаболизма бактериям необходимо иметь
большую площадь поверхности по отноше-
отношению к объему клетки.
а) Почему максимальная скорость метабо-
метаболизма должна зависеть от соотношения
между поверхностью клетки и ее объемом?
б) Рассчитайте отношение площади поверх-
поверхности клетки к ее объему у сферической
бактерии Neisseria gonorrhoeae (диаметром
0,5 мкм), вызывающей гонорею. Сравните
полученное значение с отношением поверх-
поверхности клетки к ее объему у шаровидной
амебы - крупной эукариотической клетки
диаметром 150 мкм.
54
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
в) Оцените отношение площади поверхности
тела к его объему у среднего человека ве-
весом 70 кг (представьте тело человека в виде
сферы и набора цилиндров). Сравните по-
полученное значение с отношением поверхно-
поверхности клетки к ее объему у бактерий.
6. Стратегия, обеспечивающая увеличение
площади поверхности клеток. Некоторые
клетки, функция которых состоит в погло-
поглощении питательных веществ из окружаю-
окружающей среды (например, клетки, выстилаю-
выстилающие просвет тонкого кишечника или клетки
корневых волосков растений), прекрасно
приспособлены к выполнению своей роли
благодаря тому, что площадь их поверхно-
поверхности, соприкасающейся с питательными ве-
веществами, увеличена за счет микроворси-
микроворсинок. Предположим, что эпителиальная
клетка, выстилающая просвет тонкого ки-
кишечника, имеет форму сферы (диаметром
20 мкм). Поскольку лишь часть клетки
обращена в просвет кишечника, будем счи-
считать, что микроворсинки покрывают уча-
участок, площадь которого составляет 25%
площади поверхности клетки. Предполо-
Предположим также, что микроворсинки имеют фор-
форму цилиндров высотой 1,0 мкм и диамет-
диаметром 0,1 мкм и располагаются в виде
регулярной решетки с расстоянием 0,2 мкм
между центрами двух соседних микровор-
микроворсинок. Площадь поверхности сферы равна
Задача 6
) 0,1 мкм
|t 0,2 мкм э|
Расположение микроворсинок на
покрытом ими участке
4пг2. Исходя из этих данных, рассчитайте:
а) число микроворсинок на покрытом ими
участке, б) площадь поверхности этого
участка без микроворсинок, в) площадь по-
поверхности участка с учетом микроворси-
микроворсинок, г) на сколько процентов увеличится по-
поглощающая способность (определяемая
отношением площади поверхности клетки
к ее объему) благодаря наличию микровор-
микроворсинок?
ГЛАВА 3
СОСТАВ ЖИВОЙ МАТЕРИИ:
БИОМОЛЕКУЛЫ
Мы уже убедились в том, что жи-
животные и растения различных видов по
химическому составу во многом сходны
между собой. Например, все молекулы
белков у всех видов живых организмов
построены из одного и того же набора 20
различных аминокислот. Точно так же
нуклеиновые кислоты у всех видов по-
построены из одного и того же набора ну-
клеотидов. Теперь мы увидим, что по хи-
химическому составу живая материя очень
сильно отличается от неживой материи
земной коры. Поэтому, прежде чем при-
приступить к изучению биомолекул и их
взаимодействий, следует задать несколь-
несколько важных вопросов. Какие химические
элементы и в каких соотношениях обна-
обнаруживаются в клетках? Как они туда по-
попали? Каким образом обнаруживаемые
в живых клетках молекулы оказались
приспособленными для выполнения
своих функций?
Чтобы попытаться ответить на эти во-
вопросы, мы должны рассмотреть биомо-
биомолекулы с тех же позиций, что и небиоло-
небиологические молекулы, используя принципы
и подходы, принятые в классической хи-
химии. Одновременно следует также оха-
охарактеризовать биомолекулы с биологи-
биологической точки зрения в свете представле-
представлений о том, что различные типы молекул
в живой материи связываются друг с дру-
другом и взаимодействуют, подчиняясь за-
законам, которые мы называем в совокуп-
совокупности молекулярной логикой живого.
3.1. Химический состав
живой материи отличается
от химического состава
земной коры
Для различных форм живого необхо-
необходимы лишь 27 из 92 природных химиче-
химических элементов, присутствующих в зем-
земной коре. Они перечислены в табл. 3-1.
Большинство встречающихся в живой
материи элементов имеют сравнительно
небольшие порядковые номера, и лишь
у трех из них порядковые номера превы-
превышают 34. Более того, соотношение этих
химических элементов в живых организ-
организмах совсем иное, чем в земной коре (табл.
3-2). В живых организмах в наибольших
количествах встречаются четыре элемен-
та-водород, кислород, углерод и азот;
в большинстве клеток на их долю прихо-
приходится более 99% общей массы. Относи-
Относительное содержание трех из этих элемен-
элементов-водорода, азота и углерода-в жи-
живом веществе гораздо выше, чем
в земной коре. Различия в элементарном
составе земной коры и живой материи
станут еще более явными, если при срав-
сравнении учитывать только вес сухого веще-
вещества живых организмов, исключив из
рассмотрения воду, на долю которой
приходится более 75°О их общего веса.
В живых клетках углерод составляет
50-60% сухого вещества, азот 8-10%,
кислород-25-30% и водород-3-4%.
В земной же коре на долю углерода, во-
Живые организмы, например эта медуза
Gonionemus murbachii, по химическому составу
отличаются от окружающей их среды (в данном
случае - морской воды).
ГЛ. 3. СОСТАВ ЖИВОЙ МАТЕРИИ: БИОМОЛЕКУЛЫ
57
Таблица 3-1. Биоэлементы
Установлено, что для существования живой
материи необходимы перечисленные ниже
элементы; однако не все указанные здесь ми-
микроэлементы обязательно требуются каждо-
каждому виду организмов.
Основные элементы, входящие в состав орга-
органического вещества
Углерод С Азот N
Водород Н Фосфор Р
Кислород О Сера S
Элементы, встречающиеся в виде ионов
Натрий Na+ Кальций Са2 +
Калий К+ Хлор С1
Магний Mg2 +
Микроэлементы
Железо
Медь
Цинк
Марганец
Кобальт
Йод
Молибден
Ванадий
Fe
Си
Zn
Мп
Со
I
Мо
V
Никель
Хром
Фтор
Селен
Кремний
Олово
Бор
Мышьяк
Ni
Сг
F
Se
Si
Sn
В
As
дорода и азота, вместе взятых, приходит-
приходится менее 1% ее общей массы. Вместе с тем
восемь из десяти элементов, содержа-
содержащихся в организме человека в наиболь-
наибольших количествах, входят в число десяти
Таблица 3-2. Восемь элементов, содержащих-
содержащихся в наибольших количествах в земной коре
и организме человека (°о от общего числа
атомов)
Земная кора
Элемент
О
Si
А1
Fe
Са
Na
К
Mg
47
28
7,9
4,5
3,5
2,5
2,5
2,2
Организм
Элемент
Н
О
с
N
Са
Р
С1
К
человека
о
63
25,5
9.5
1,4
0,31
0,22
0,08
0,06
элементов, которые в наибольших коли-
количествах присутствуют также и в морской
воде.
Исходя из этих данных, можно сделать
два рабочих допущения. Согласно перво-
первому из них, химические соединения, содер-
содержащие углерод, водород, кислород и азот
(наиболее распространенные в живой
природе элементы) были отобраны в хо-
ходе эволюции благодаря их особой при-
приспособленности для участия в процессах
жизнедеятельности. Второе допущение
состоит в том, что морская вода была
именно той жидкой средой, в которой
живые организмы впервые появились на
ранних этапах развития Земли.
3.2. Большинство биомолекул
содержит углерод
Химические свойства живых организ-
организмов в значительной степени зависят от
углерода, на долю которого приходится
более половины их сухого веса. Углерод,
так же как и водород, кислород и азот,
может образовывать ковалентные связи,
т. е. связи, осуществляемые парами элек-
электронов, принадлежащими обоим соеди-
соединяющимся атомам (рис. 3-1). Для запол-
заполнения внешней электронной оболочки
атому водорода не хватает одного элек-
электрона, атому кислорода-двух, атому
азота-трех и атому углерода-четырех
электронов. Таким образом, при взаимо-
взаимодействии атома углерода с четырьмя ато-
атомами водорода «обобществляются»
четыре электронные пары, в результате
чего возникает соединение метан (СН J,
в котором каждая общая электронная па-
пара соответствует одной одинарной связи.
Углерод может образовывать одинарные
связи также и с атомами кислорода и азо-
азота. Однако наиболее важное значение
в биологии имеет способность атомов
углерода «делиться» электронными па-
парами друг с другом, что приводит к фор-
формированию очень устойчивых оди-
одинарных углерод-углеродных связей.
Каждый атом углерода может образо-
образовать одинарную связь с одним, двумя,
тремя или четырьмя другими атомами
углерода. Кроме того, два углеродных
атома, соединяясь друг с другом, могут
58
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
Атом
Число неспаренных
электронов (показаны
красным цветом)
Число элек-
электронов в за-
заполненной
внешней
оболочке
н-
«обобществить» две пары электронов;
при этом образуется двойная углерод-
углеродная связь (рис. 3-2). Благодаря
описанным свойствам ковалентно свя-
связанные атомы углерода способны обра-
образовывать множество разнообразных
•C-+-H >-C:H —С—Н
• • I
-С-+-О:—>:ciq: ^c=o
•С-+ -N:
-N:
•С-+-6
•С-+-6
I /
)
)
C=N-
• :c:n-
•с-с- —с—с—
:с:с:
\
Рис. 3-2. Способность атомов углерода уча-
участвовать в образовании различных одинарных
и двойных ковалентных связей. Тройные связи
в органических биомолекулах встречаются край-
крайне редко.
Н' + Н1
2Н-
ЗН-
Рис. 3-1. Образование ковалентных связей. Ме-
Между двумя атомами, имеющими на внешних
оболочках неспаренные электроны, могут обра-
образоваться ковалентные связи путем «обобщест-
«обобществления» электронных пар (молекулярных орби-
талей). Атомы, участвующие в формировании
ковалентных связей, стремятся к заполнению
своих внешних электронных оболочек.
•С- + 4Н'
нш
НЮ:
Н
н
:N.'H
Н
Н
Н "-С/.Н
Н
= Н—Н
Молекулярный
водород
= н—о—н
Вода
нч/н
= N
1
н
Аммиак
Н
= н—с—н
1
н
Метан
структур: линейные и разветвленные це-
цепи, циклические и сетчатые структуры,
а также их комбинации. Все эти струк-
структуры лежат в основе скелетов многочис-
многочисленных органических молекул самых раз-
разных типов (рис. 3-3). К таким угле-
углеродным скелетам могут присоединяться
другие атомные группы, что обусловлено
способностью углерода образовывать
ковалентные связи с кислородом, водо-
водородом, азотом и серой. Вещества, имею-
имеющие скелеты из ковалентно связанных
углеродных атомов, называются органи-
органическими соединениями, причем их раз-
разнообразие практически безгранично. По-
Поскольку большинство биомолекул отно-
относится к органическим соединениям, мож-
можно предположить, что способность угле-
углерода участвовать в формировании раз-
разнообразных химических связей сыграла
решающую роль в выборе именно угле-
родсодержащих соединений для созда-
создания молекулярных механизмов клеток
в процессе возникновения и эволюции
живых организмов.
3.3. Биомолекулы имеют
специфическую форму
и определенные размеры
Четыре ковалентные одинарные связи,
образуемые атомом углерода, распола-
располагаются в пространстве в виде
Линейный
ГЛ. 3. СОСТАВ ЖИВОЙ МАТЕРИИ: БИОМОЛЕКУЛЫ
Циклический
59
I I I I I I I I I I
—с—с—с—с—с-с-с—с—с—с—
I I I I I I I I I I
Разветвленный
III.
—с-с—с-с
I
—с—
I
I I I
Рис. 3-3. Углерод-углеродные связи образуют
каркас молекул многих органических веществ.
причем угол между любыми двумя из
этих связей составляет около 109,5'
(рис. 3-4). В молекулах различных орга-
органических соединений этот угол у разных
атомов углерода несколько изменяется.
Благодаря такому свойству углеродсо-
держащие соединения образуют разно-
Рис. 3-4. А. Четыре одинарные связи, обра-
образуемые атомом углерода, расположены в про-
пространстве в виде характерного тетраэдра; длина
связей составляет приблизительно 0,154 нм,
а угол между ними 109,5'. Б. Вокруг одинарных
углерод-углеродных связей возможна полная
свобода вращения: это отчетливо видно на при-
примере молекулы этана (Н3С—СН3), структуру ко-
которого можно изобразить разными схемами. В.
Двойные углерод-углеродные связи короче, чем
одинарные, и свободное вращение вокруг них не-
невозможно. Угол между одинарными связями,
образуемыми каждым из атомов углерода, со-
соединенных между собой двойной связью, соста-
составляет 120е. Оба атома углерода, образующие
двойную связь, и атомы, обозначенные А, В, X
и Y, лежат в одной плоскости.
c—c—c—c-
— c—
образные трехмерные структуры. Ника-
Никакой другой химический элемент не может
образовывать молекулы, столь раз-
различные по размерам и форме, а также по
строению боковых цепей и функцио-
функциональных групп. Необычайная сложность
внутриклеточных структур в значитель-
Вид сверху
Н Н
Вид сбоку
1Н
60
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
ной мере отражает разнообразие разме-
размеров и форм органических молекул, из ко-
которых они построены.
Второе важное свойство органических
соединений заключается в том, что со-
составные части их молекул могут абсо-
абсолютно свободно вращаться вокруг оди-
одинарных углерод-углеродных связей, если
только к атомам углерода, участвующим
в образовании таких связей, не присоеди-
присоединены очень большие или сильно заря-
заряженные группы; в этом случае вращение
может быть ограничено. Благодаря тако-
такому свойству органические молекулы
с большим числом одинарных связей мо-
могут принимать различные формы, назы-
называемые конформациями (рис. 3-4), в зави-
зависимости от угла поворота этих связей.
Третье важное свойство ковалентных
связей, образуемых углеродом, заклю-
заключается в том, что они характеризуются
определенной длиной. В среднем длина
Таблица 3-3. Радиусы некоторых атомов
Приведенные данные относятся к вандерваальсовым радиусам, характери-
характеризующим истинные размеры атомов в постранстве; однако, когда атомы
соединяются между собой ковалентными связями, их радиусы в точке
взаимодействия с другими атомами уменьшаются из-за притяжения ато-
атомов друг к другу за счет образования обобщенной пары (молекулярной
орбитали)
Элемент
Радиус, нм Пространственная модель
Углерод
Водород
Кислород
0,077
0,037
0,066
Азот
Фосфор
0,070
0,110
Сера
0,104
Некоторые ковалентные связи
—С—Н
-К
9)
Н
чо-н
ГЛ 3. СОСТАВ ЖИВОЙ МАТЕРИИ: БИОМОЛЕКУЛЫ
61
одинарных углерод-углеродных связей
равна 0,154 нм (или 1,54 А, если использо-
использовать более старую единицу длины, при-
применявшуюся ранее в структурной хи-
химии); двойные связи короче, их длина
составляет примерно 0,134 нм. В отличие
от одинарных двойные углерод-угле-
углерод-углеродные связи обладают большей жест-
жесткостью и не допускают свободного вра-
вращения. При наличии в молекуле двойной
связи углы между одинарными связями
увеличиваются (рис. 3-4). Углы между
связями и длины связей (от центра одно-
одного атома до центра другого) лучше всего
можно показать с помощью моделей из
шариков и стержней, тогда как'внешние
контуры органических молекул хорошо
видны на пространственных моделях
(рис. 3-5), составные части которых про-
пропорциональны по размерам радиусам
атомов (табл. 3-3). Из рассмотренных
здесь данных следует, что органические
биомолекулы имеют характерные раз-
размеры и трехмерную структуру, опреде-
определяемые строением их скелета и располо-
расположением боковых групп.
Трехмерная структура (конформация)
органических биомолекул играет исклю-
исключительно важную роль во многих биохи-
биохимических процессах, в частности при
взаимодействии каталитических центров
Рис. 3-5. Модели, показывающие строение ами-
аминокислоты аланина. А. Перспективное изобра-
изображение структурной формулы. Б. Модель из ша-
шариков и стержней, на которой хорошо видны
относительные длины связей и углы между ни-
ними. Шарики показывают приблизительные раз-
размеры атомных ядер. В. Пространственная мо-
модель. Здесь относительные размеры всех атомов
точно соответствуют их вандерваальсовым ра-
радиусам (см. также табл. 3-3).
Активный центр
Молекула фермента
Рис. 3-6. Комплементарное соответствие моле-
молекулы субстрата активному или каталитическо-
каталитическому, центру молекулы фермента. Каталитический
центр распознает лишь те молекулы, простран-
пространственные характеристики и размеры которых
в точности соответствуют его строению.
ферментов с субстратами (рис. 3-6). Для
обеспечения нормальных биологических
функций молекулы фермента и субстрата
должны быть комплементарными, т.е. их
структуры должны стерически точно со-
соответствовать друг другу. Такая же стро-
строгая комплементарность необходима для
связывания молекулы гормона с его ре-
рецептором на поверхности клетки, для
репликации ДНК и многих других проте-
протекающих в клетке процессов. Поэтому
изучение трехмерной структуры биомо-
биомолекул при помощи точных физических
методов составляет важную часть совре-
современных исследований, направленных на
выяснение связи между структурой кле-
гок и их биохимическими функциями.
62
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
3.4. Функциональные группы
органических биомолекул
определяют
их химические свойства
Почти все органические биомолекулы
можно рассматривать как производные
углеводородов-соединений, состоящих из
атомов углерода и водорода. Скелет
углеводородов построен из атомов угле-
углерода, соединенных ковалентными связя-
связями; остальные связи атомов углерода ис-
используются для связывания их с атомами
водорода. Скелеты углеводородов очень
устойчивы, поскольку электронные пары
в одинарных и двойных углерод-угле-
углерод-углеродных связях в равной мере принадле-
принадлежат обоим соседним атомам углерода.
Один или более атомов водорода
в углеводородах могут быть замещены
различными функциональными группами.
При этом образуются различные семей-
семейства органических соединений. К ти-
типичным семействам органических соеди-
соединений с характерными функциональны-
функциональными группами относятся спирты, в моле-
молекулах которых имеется одна или несколь-
несколько гидроксильных групп; амины, содержа-
содержащие аминогруппы; кетоны, содержащие
карбонильные группы и кислоты с карбок-
карбоксильными группами (табл. 3-4). Неко-
Некоторые другие часто встречающиеся функ-
функциональные группы также играют важ-
важную роль в биомолекулах (табл. 3-5).
Функциональные группы органических
биомолекул химически гораздо более ре-
акционноспособны, чем насыщенные
углеводородные скелеты, которые с тру-
трудом поддаются воздействию большин-
большинства химических агентов. Функцио-
Функциональные группы могут изменять харак-
характер распределения электронов и располо-
расположение близлежащих атомов, влияя таким
образом на реакционную способность
всей органической молекулы в целом.
Наличие тех или иных функциональных
групп в органических биомолекулах по-
позволяет анализировать и предсказывать
поведение последних в химических реак-
реакциях. Как мы увидим дальше, действие
ферментов (катализаторов живых кле-
клеток) основано на распознавании специфи-
специфической функциональной группы в биомо-
Таблица 3-4. Функциональные
группы, характеризующие
семейства органических
соединений
Rt и R2 означают углеводородные цепи,
к которым присоединены функциональные
группы.
Функциональ-
Функциональная группа
Гидроксиль-
ная
Альдегидная
Карбонильная
Карбоксиль-
Карбоксильная
Строение
Rt— О—Н
R,— С—Н
О
Rj С Rz
II
О
Пг— С— ОН
О
Семейство
Спирты
Альдегиды
Кетоны
Кислоты
Аминогруппа Rj— N
/н
н
Амидогруппа R,—С—N
О
Амины
Амиды
Сульфгидриль- Rj—S—Н Тиолы
ная
Rj—С—O-R2
Сложно-эфир- |[ Сложные эфиры
ная
Эфирная
О
*!—О-Б
Простые эфиры
лекуле и каталитическом изменении ее
структуры.
Большинство биомолекул, с которыми
нам предстоит иметь дело, содержит
функциональные группы двух или не-
нескольких типов и потому обладает поли-
полифункциональными свойствами. Функцио-
Функциональные группы каждого типа в таких
молекулах проявляют характерные для
них химические особенности и вступают
в определенные реакции. В качестве при-
примера можно привести аминокислоты-
важное семейство биомолекул, которые
ГЛ. 3. СОСТАВ ЖИВОЙ МАТЕРИИ: БИОМОЛЕКУЛЫ
63
Таблица 3-5. Некоторые другие функциональные группы, присутствующие
в биомолекулах
Н
R—С—Н
Н
Метальная
R—С—С—Н
R,— S—S
Дисульфидная
ОН
I
R—О-Р—ОН
О
Фосфатная
Н
Гуанидиновая
R—
"г—Г"
Имидазольная
\ =с/
R— С~ V—Н
н н
Фенильная
Аминокислота аланин
(один из строительных
блоков белков)
Глюкоза (сахар)
н-с-он
Н—С—ОН
СНг-ОН
соон
Н-6-0Н
снэ
соон
I
снг
с=о
сн3
Молочная кислота
(продукт метаболизма
глюкозы)
Ацетоуксусная кислота
(метаболический продукт,
образующийся при окислении
жиров)
Рис. 3-7. Биомолекулы с несколькими функцио-
функциональными группами.
в основном служат строительными бло-
блоками белков. Все аминокислоты содер-
содержат функциональные группы по меньшей
мере двух типов: аминогруппу и карбок-
карбоксильную группу. На рис. 3-7 приведена
формула аминокислоты аланина, на ко-
которой видны обе эти группы. Химические
свойства этой аминокислоты полностью
определяются химическими свойствами
карбоксильной группы и аминогруппы.
Еще одним примером часто встречаю-
встречающихся полифункциональных биомолекул
может служить простой сахар глюкоза,
в молекуле которой содержатся функцио-
функциональные группы двух типов-гидрок-
сильные группы и альдегидная группа
(рис. 3-7). В дальнейшем мы неоднократ-
неоднократно убедимся в том, насколько важную
роль играют функциональные группы
биомолекул в их биологической активно-
активности.
3.5. Многие биомолекулы
асимметричны
Тетраэдрическое расположение оди-
одинарных связей, образуемых атомом угле-
углерода, придает некоторым органическим
соединениям еще одно замечательное
свойство, имеющее исключительно важ-
важное значение в биологии. Во всех случаях,
64
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
когда в молекуле органического соедине-
соединения атом углерода связан с четырьмя
разными атомами или функциональны-
функциональными группами, говорят, что этот атом
асимметричен, поскольку он может су-
существовать в двух изомерных формах,
называемых энантиомерами, различаю-
различающимися своей пространственной конфи-
конфигурацией. Как показано на рис. 3-8, энан-
тиомеры относятся друг к другу как
предмет и несовместимое с ним зеркаль-
зеркальное отражение его. Энантиомеры, назы-
называемые также оптическими изомерами,
или стереоизомерами, в химических реак-
реакциях ведут себя одинаково, но разли-
различаются по весьма характерному физиче-
физическому свойству, а именно по способности
вращать плоскость поляризации плоско-
поляризованного света. Если раствор, со-
содержащий энантиомер одного типа, вра-
вращает плоскость поляризации вправо, то
раствор энантиомера другого типа будет
вращать плоскость поляризации влево;
угол вращения можно измерить при по-
помощи поляриметра. Соединения, моле-
молекулы которых не содержат асимметриче-
асимметрических атомов углерода, не способны
вращать плоскость поляризации плоско-
поляризованного света.
Изображенная на рис. 3-8 аминокисло-
аминокислота аланин представляет собой асиммет-
асимметрическую молекулу, поскольку ее цент-
центральный атом углерода имеет четыре
различных заместителя: метильную
группу, аминогруппу, карбоксильную
группу и атом водорода. В дальнейшем
мы увидим, что два энантиомера аланина
в структурном отношении являются не-
несовместимыми между собой зеркальны-
зеркальными отражениями друг друга. Эти две
формы аланина относятся одна к другой
так же, как правая рука к левой, а по на-
нашему опыту мы хорошо знаем, что на
правую руку нельзя надеть перчатку для
левой руки. Поскольку соединения
с асимметрическими атомами углерода
встречаются в двух формах, которые
можно рассматривать как левые
и правые, они получили название хи-
ралъных соединений (от греческого слова
'"chiros", что значит рука). Соответствен-
Соответственно центральный, или асимметрический,
атом хиральных соединений называют
хиральным атомом, или хиральным цен-
центром.
Кроме аминокислот многие другие ор-
органические биомолекулы аминокислот
также обладают хиральными свойствами
и содержат один или большее число
асимметрических атомов углерода. При-
Примером таких соединений может служить
широко распространенный сахар глюко-
глюкоза, в молекуле которой содержится не ме-
менее пяти асимметрических атомов угле-
углерода. В живых организмах хиральные
молекулы присутствуют обычно только
в одной из двух возможных форм. Так,
аминокислоты, и в частности аланин,
встречаются в белках только в одной хи-
ральной форме. Аналогичным образом
глюкоза, основная структурная единица
крахмала, обнаруживается в биологиче-
биологических объектах только в одной из своих
многочисленных хиральных форм. На-
Наоборот, когда химик в лабораторных ус-
условиях синтезирует органическое соеди-
соединение с одним асимметрическим атомом
углерода, используя обычные небиологи-
небиологические реакции, с равной вероятностью
образуются обе возможные хиральные
формы, в результате чего получается эк-
Рис. 3-8. Хиральные молекулы. А. Если атом
углерода связан с четырьмя разными группами
или атомами (А, В, X, Y), то последние могут
быть расположены двумя способами; при этом
образуются две структуры, представляющие со-
собой несовместимые зеркальные отражения друг
друга. Такой атом углерода является асимме-
асимметрическим ; он называется хиральным атомом,
или хиральным центром. Б. Когда атом углеро-
углерода связан только с тремя различными группами
или атомами, возможна лишь одна простран-
пространственная конфигурация; такая молекула являет-
является симметрической или ахиральной. В этом слу-
случае молекулу также можно представить как два
зеркальных отражения, которые, однако, совме-
совместимы друг с другом. Если молекулу, изобра-
изображенную на рисунке слева, повернуть против ча-
часовой стрелки (ось вращения проходит сверху
вниз через атом А), то она совместится с молеку-
молекулой, изображенной справа. В. Аланин предста-
представляет собой хиральную молекулу, поскольку
центральный атом углерода в ней связан с че-
четырьмя разными заместителями; это допускает
существование двух структур, представляющих
несовместимые между собой зеркальные отра-
отражения друг друга. Две разные хиральные формы
аланина называют D-аланином и L-аланином.
Вопрос о физическом смысле букв D и L, исполь-
используемых для обозначения хиральных форм асим-
асимметрических молекул, рассматривается в гл. 5.
ГЛ. 3. СОСТАВ ЖИВОЙ МАТЕРИИ: БИОМОЛЕКУЛЫ
65
вимолярная смесь двух энантиомеров.
Разделить эти две хиральные формы
в такой смеси можно лишь при помощи
специальных физических методов.
В живых клетках хиральные биомоле-
биомолекулы синтезируются с участием фермен-
ферментов таким образом, что возникает только
один из двух возможных энантиомеров.
Это происходит потому, что сами моле-
Зеркало
кулы ферментов имеют хиральную
структуру.
Стереоспецифичность, свойственная
многим биомолекулам,-это характерная
особенность молекулярной логики
живых клеток, которая еще раз убеди-
убедительно подтверждает, что трехмерная
структура биомолекул имеет чрезвычай-
чрезвычайно важное значение для их биологических
функций. Более подробно мы рассмо-
рассмотрим хиральные молекулы и явление
стереоизомерии, когда будем знакомить-
знакомиться с аминокислотами (гл. 5) и сахарами
(гл. 11).
3.6. Основные классы
биомолекул в клетках
представлены очень крупными
молекулами
В табл. 3-6 приведены основные классы
биомолекул, обнаруживаемые у бактерии
Escherichia coli, данные о вкладе каждого
класса в общую массу клетки и прибли-
приблизительное число биомолекул каждого
СООН
NH2
D-аланин
соон
NH2
L-аланин
Таблица 3-6. Молекулярные
клетки Е. coli
компоненты
Содер-
Содержание,
°о (по
весу)
Вода
Белки
Нуклеиновые кис-
кислоты
ДНК
РНК
Полисахариды
Лип иды
Молекулы, вы-
выполняющие роль
строительных
блоков и проме-
промежуточные соеди-
соединения
Неорганические
ионы
70
15
Приблизи-
Приблизительное
число раз-
различных ви-
видов моле-
молекул
1
3000
1
>3000
5
20
500
20
3-767
66
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛРКУЛЫ
1 МКМ
1 МКМ
класса. Наибольшую часть массы клеток
Е. coli, как и всех других клеток и орга-
организмов, составляет вода. На долю неор-
неорганических солей и других минеральных
веществ приходится лишь незначитель-
незначительная часть сухого веса клеток; многие из
этих веществ присутствуют в клетке при-
примерно в тех же соотношениях, что и
в морской воде. Практически все сухое
вещество клеток Е. coli так же, как и всех
остальных клеток, составляют органиче-
органические соединения, представленные че-
четырьмя основными видами молекул: бел-
белками, нуклеиновыми кислотами, полиса-
полисахаридами и липидами. На долю белков
приходится основная часть живой мате-
материи не только в клетках Е. coli, но и во
всех других клетках. Термин «протеин»
(белок) происходит от греческого слова
proteios, означающего «первый» или
«главный». У всех живых организмов
белки являются прямыми продуктами ге-
генов и эффекторами их действия. Многие
белки обладают специфической катали-
каталитической активностью и функционируют
как ферменты. Белки других типов
играют роль структурных элементов
в клетках и тканях. Ряд белков, присут-
присутствующих в мембранах клеток, способ-
способствуют транспорту некоторых веществ
внутрь клеток и наружу. В осуществле-
осуществлении множества других биологических
функций также участвуют белки-пожа-
Рис. 3-9. А. Микрофотография гранул крахмала
в клетке картофеля, полученная при помощи ска-
сканирующего электронного микроскопа. Б. Элек-
Электронная микрофотография, на которой видна
послойная упаковка волокон целлюлозы, приво-
приводящая к формированию структурного каркаса
клеточных стенок растений.
луй, наиболее универсальные в этом от-
отношении биомолекулы. Нуклеиновые кис-
кислоты, ДНК и РНК, во всех клетках
выполняют одни и те же функции, обес-
обеспечивая хранение, передачу и реализацию
генетической информации. ДНК служит
хранилищем генетической информации,
а различные типы РН К способствуют ее
реализации в процессе синтеза белков.
Полисахариды выполняют в основном
две функции. Одни из них, например
крахмал, представляют собой различные
формы запасного «горючего», снабжаю-
снабжающего клетку энергией, тогда как другие,
например целлюлоза, используются в ка-
качестве внеклеточных структурных компо-
компонентов (рис. 3-9). Липиды, к которым от-
относятся жиры и жироподобные вещества,
во-первых, играют роль основных струк-
структурных компонентов мембран и, во-
вторых, служат запасной формой богато-
богатого энергией «горючего».
Эти четыре наиболее важных класса
биомолекул имеют одно общее свойство -•
все они представляют собой относитель-
относительно крупные структуры с высокими моле-
ГЛ. 3. СОСТАВ ЖИВОЙ МАТЕРИИ: БИОМОЛЕКУЛЫ
67
кулярными массами и потому называют-
называются макромолекулами. Молекулярные
массы различных белков лежат в преде-
пределах от 5000 до 1 млн.; у некоторых
нуклеиновых кислот молекулярные
массы достигают нескольких миллиар-
миллиардов; полисахариды, например крахмал,
также имеют высокие молекулярные
массы порядка миллионов. Размеры от-
отдельных липидных молекул значительно
меньше (мол. масса 50-1500). Однако
обычно липидные молекулы объеди-
объединяются друг с другом и образуют очень
крупные структуры, которые включают
тысячи молекул и функционируют, по су-
существу, как макромолекулярные системы
(такая система служит, в частности, «ос-
«основой» клеточных мембран). Таким
образом, мы можем отнести подобные
липидные структуры также к макромоле-
макромолекулам.
3.7. Макромолекулы
образуются из небольших
молекул, играющих роль
строительных блоков
Мы уже убедились (см. гл. 1), что, хотя
в живых организмах содержится множе-
множество различных белков и нуклеиновых
кислот, построение этих сложных струк-
структур основано на весьма простых принци-
принципах. В качестве строительных блоков, из
которых состоят все белки и нуклеи-
нуклеиновые кислоты, используются простые
молекулы; число этих молекул невелико,
и они имеют одно и то же строение у всех
видов организмов. Молекулы всех бел-
белков, представляющие собой длинные це-
цепи, построены всего из 20 разных амино-
аминокислот, расположенных в той или иной
линейной последовательности. Анало-
Аналогичным образом длинные, напоминаю-
напоминающие цепи молекулы нуклеиновых кислот
у всех организмов построены из неболь-
небольшого числа нуклеотидов, образующих
различные последовательности. Белки
и нуклеиновые кислоты являются инфор-
информационными макромолекулами; каждый
белок и каждая нуклеиновая кислота не-
несут определенную информацию, закоди-
закодированную в последовательности строи-
строительных блоков.
i часток цепи ДНК - ин- Участок моле-
формационнсй молекулы кулы целлюлозы
I I
A Glc
G
I
С
т
А
I
G
G
Т
А
А
I
Т
т
Glc
Glc
Glc
L
Glc
I
Glc
Glc
Glc
Glc
Glc
L
Glc
Glc
Glc
Рис. 3-10. Последовательности строительных
блоков в информационных и неинформа-
неинформационных макромолекулах. Буквами А, Т, G и
С обозначены четыре основания в ДНК - инфор-
информационной макромолекуле, Glc-глюкоза, по-
повторяющаяся структурная единица в молекуле
целлюлозы, которая не содержит генетической
информации.
Полисахариды также состоят из боль-
большого числа строительных блоков. Крах-
Крахмал и целлюлоза, например, предста-
представляют собой длинные цепи строительных
блоков одного типа, а именно сахара
глюкозы. Поскольку полисахариды по-
построены из структурных единиц только
одного типа или из чередующихся еди-
единиц двух типов, они не могут нести зако-
закодированную генетическую информацию
(рис. 3-10).
Таким образом, более 90% сухого ор-
органического вещества в живых организ-
организмах составляют тысячи разнообразных
макромолекул, построенных всего лишь
из трех-четырех десятков различных ви-
68
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
A. 20 аминокислот •
СООН
HjN-C—H
Алании CHS
СООН
H2N-C—H
HjC-CH
Валин CHj
СООН
I
Hj,N-C—H
си
Лейцин
,чсн3
сн
СООН
H2N—С—Н
строительных блоков белков
СООН
H2N—С—Н
Серии СН2ОН
СООН
I
H2N—С—Н
н—с—он
Треонин |
сн3
СООН
I
Hj>N— С— Н
Цистеин СНг
SH
СООН
H2N—С—Н
н-с-сн.
Изолейвдн
| 2
сн,
СООН
А
Н*С NH
н2с—сн2
Пролин
СООН
HjN-C—H
Глицин
(Д-группы выделены красным цветом)
СООН
H2N—С—Н
Триптофан I
Аспарагиновая qj
кислота |
СООН
СООН
H4N—С—Н
Глутаминовая | г
кислота СНг
СООН
СООН
HjN—С—Н
-NH
снг
С—N..
Гистидин II \
I /"
НС—N
СООН
H..N—С—Н
Аспарагин СНг
O=-C-NH,
СООН
I
H2N—С—Н
Фенилаланин
СООН
—Н
Аргинин
Г.
NH,
NH
СООН
нгы—с—н
{н.
Лизин |
снг
NH2
СООН
H2N—С—Н
сн,
Метиошш S
сн3
СООН
H2N—С—Н
I
Глутамин Снг
О—С—NHa
дов простых органических молекул. По-
Поэтому, чтобы понять структуру биологи-
биологических макромолекул и некоторые орга-
организационные принципы биохимии, нам
необходимо знать строение и свойства
сравнительно небольшого числа органи-
органических соединений.
3.8. Молекулы, используемые
в качестве строительных блоков,
имеют простую структуру
На рис. 3-11 показана структура био-
биомолекул, относящихся к разным семей-
семействам строительных блоков. В белках
строительными блоками служат 20 раз-
различных аминокислот; все они содержат
карбоксильную группу и аминогруппу,
которые связаны с одним и тем же ато-
атомом углерода. Аминокислоты отличают-
отличаются друг от друга строением только одной
части молекулы, а именно боковой
группы, обозначаемой обычно символом
R (рис. 3-11, А).
Все нуклеиновые кислоты образуются
из восьми различных повторяющихся
структурных единиц-нуклеотидов; четы-
четыре из них играют роль структурных еди-
ГЛ. 3. СОСТАВ ЖИВОЙ МАТЕРИИ: БИОМОЛЕКУЛЫ
69
Б. Строительные блоки нуклеиновых кислот
HN''
О
C
II
HN
^С—СН,
.СН
н
н
Урацил
о=
н
Тимин
ОН ОН
a-D-рибоэа
CH
Цитозин
он н
2-дезокси-а-О-рибоза
NH2
О
НС*
СН
HN'
СН
Аденин
"N
H
Гуанин
H
Рис, 3-11. Первичные биомолекулы, играющие
роль основных строительных блоков, предста-
представляют собой как бы буквы биохимического ал-
алфавита. На этом рисунке показаны 20 аминокис-
аминокислот (Л), из которых построены белки всех
организмов, пять азотистых оснований и два пя-
тиуглеродных сахара (Б), входящих в состав всех
нуклеиновых кислот, основные строительные
блоки липидов (В) и ce-D-глюкоза (Г) - родона-
родоначальник большинства углеводов.
ниц ДНК, а другие четыре используются
при построении РНК. Каждый нуклеотид
в свою очередь состоит из трех более
мелких единиц: 1) азотистого основания,
2) пятиуглеродного сахара и 3) фосфор-
фосфорной кислоты. Пять различных оснований
и два углеводных компонента нуклеоти-
дов показаны на рис. 3-11, Б.
Как указывалось выше, наиболее часто
встречающиеся в природе полисахариды,
крахмал и целлюлоза, состоят из повто-
повторяющихся единиц D-глюкозы. Липиды
также построены из сравнительно не-
небольшого числа типов органических мо-
молекул. Большинство молекул липидов со-
содержит одну или несколько длинноцепо-
чечных жирных кислот, производных
пальмитиновой или олеиновой кислот
(рис. 3-11, В). Кроме того, многие ли-
В. Некоторые строительные блоки липидов
СООН
|
СНЭ—N—CHjCHjOH
снъ
Холин
снгон
снон
СН2ОН
Глпцерол
О
но—р-он
он
Фосфорная кислота
СООН
сн2
СН.
сн2
СН,
сн2
снг
СН
I
Г. Сахар-предшественник
СНгОН
н/г QH
н>
но
/н
Чон
'он
н он
a-D-глюкоза
Т
сн2
снг
сн2
сн2
сн.
I
СНг
сн3
Олеиновая кислота
сн2
СН.
сн2
сн2
снг
СН,
и
сн2
сн2
сн2
СН,
Пальмитиновая
кислота
пиды содержат спирты, например глице-
глицерин, а некоторые еще и фосфорную кис-
кислоту. Таким образом, большая часть
биомолекул построена примерно из трех
десятков органических соединений, при-
приведенных на рис. 3-11.
Все эти соединения выполняют самые
разнообразные функции в живых орга-
организмах. Так, изображенная на рис. 3-12
D-глюкоза не только служит строи-
строительным блоком резервного углевода
крахмала и структурного углевода цел-
целлюлозы, но и играет роль предшествен-
предшественника в синтезе других Сахаров, таких, как
D-фруктоза, D-манноза и сахароза
(тростниковый сахар). Жирные кис-
кислоты-это компоненты не только
сложных липидов клеточных мембран,
но и жиров - богатых энергией соедине-
соединений, обеспечивающих накопление запас-
запасного «топлива» в организме. Кроме того,
жирные кислоты входят в состав защит-
защитного воскового налета на листьях и пло-
плодах растений, а также служат предше-
предшественниками других специализиро-
специализированных соединений. Аминокислоты-это
не только строителшые блоки белков;
некоторые из них могут быть нейроме-
70
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
Глюкоза
Пальмитиновая
кислота
Аминокислоты
Аденин
Целлюлоза
Крахмал
Фруктоза
Манноза
Сахароза
Лактоза
Фосфолипиды
Жиры
Воска
Белки
Пептидные гормоны
Нейромедиаторы
Алкалоиды
Нуклеиновые кислоты
АТР
Коферменты
Мочевая кислота
Рис. 3-12. Каждая первичная биомолекула, ис-
используемая в качестве строительного блока,
играет также роль предшественника в биосинте-
биосинтезе многих биомолекул других типов.
диаторами (нейротрансмиттерами) и
предшественниками ряда гормонов, а
у растений-токсичных алкалоидов. Аде-
Аденин служит строительным блоком ну-
нуклеиновых кислот, некоторых кофермен-
тов и АТР-соединения, выполняющего
роль переносчика энергии в клетках.
Таким образом, изображенные на
рис. 3-11 биомолекулы, играющие роль
строительных блоков, являются, по су-
существу, предшественниками или родона-
родоначальниками большинства других биомо-
биомолекул. Поэтому мы можем рассматри-
рассматривать их как молекулярный алфавит
живой материи. К этим простым органи-
органическим веществам нельзя относиться без
некоторой доли благоговения и восхище-
восхищения-ведь они были отобраны в процессе
эволюции и стали участниками столь не-
необычных и уникальных взаимоотноше-
взаимоотношений, совокупность которых мы называем
молекулярной логикой живых организ-
организмов.
3.9. Структурная иерархия
в молекулярной организации
клеток
Рассмотренные нами биомолекулы,
играющие роль строительных блоков,
имеют очень небольшие размеры по
сравнению с биологическими макромо-
макромолекулами. Например, длина молекулы
такой аминокислоты, как аланин, соста-
составляет менее 0,7 нм, тогда как в эритроци-
эритроцитах типичный белок гемоглобин, осущест-
осуществляющий перенос кислорода, состоит
примерно из 600 аминокислотных еди-
единиц, соединенных в длинные непи, уло-
уложенные в виде глобулярных структур.
Молекулы белков, в свою очередь, малы
по сравнению, например, с рибосомами
субмолекулярными частицами, содержа-
содержащимися в тканях животных. В состав ка-
каждой из них входит приблизительно 70
различных белков и четыре молекулы ну-
нуклеиновой кислоты. Рибосомы, в свою
очередь, малы по сравнению с такими ор-
ганеллами, как митохондрии. Таким
образом, переход от простых биомоле-
биомолекул к более крупным субклеточным
структурам происходит скачкообразно.
На рис. 3-13 показана структурная ие-
иерархия в молекулярной организации кле-
Клетка
Органеллы
Надмолекулярные
ансамбли
Макромолекулы
Строительные
блоки
Ядро
Митохондрии
Тельца Гольджи
Эндоплазматический ретикулум
Мембраны
Рибосомы
Хроматин
. Микротрубочки
Белки
ДНК
РНК
Полисахариды
Аминокислоты
Глюкоза
Аденин и другие основания
Пальмитиновая кислота и т.п.
Рис. 3-13. Структурная иерархия в молекуляр-
молекулярной организации клеток.
18 нм
0,1 мкм
Рис. 3-14. Рибосомы. А Электронная микрофо-
микрофотография сгруппированных рибосом дрожжевых
клеток. Б. Структурная организация рибосомы
Е. coli. Две субчастицы рибосом Е. coli на самом
деле имеют неправильную форму, в чем мы убе-
убедимся в гл. 29.
Многочислен-
Многочисленные разнооб-
разнообразные мак-
макромолекулы в
каждой из
субчастиц
соединены _
друг с другом
при помощи
слабых неко-
валентных
связей, в том
числе водо-
родных
Внутри каж -
дой макромо-
макромолекулы строи-
строительные бло^
ки соединены
между собой
ковалентны-
ми связями
Масса частицы = 2,8 миллиона
n
S
И
О
S
m
-о
5
СП
О
Две молекулы
РНК, мол. массы
35 000 1 000 000
32 белка,
мол. массы
10 000 - 65 000
Одна молекула РНК,
мол. масса 550 000
I
21 белок, мол.
массы
5 000-75000
1
Нуклеотиды и аминокислоты - строительные
блоки нуклеиновых кислот и белков, мол. массы 150 - 350
72
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
ток. Самые крупные компоненты эука-
риотических клеток, органеллы, по-
построены из более мелких субструктур-
надмолекулярных ансамблей, а те в свою
очередь-из макромолекул. Например,
в одной из органелл-клеточном ядре-
присутствует несколько типов надмоле-
надмолекулярных ансамблей, таких, как мем-
мембраны, хроматин и рибосомы. Каждый та-
такой надмолекулярный ансамбль состоит
из макромолекул; в хроматине, напри-
например, содержатся ДНК, различные белки
и небольшое количество РНК. Каждая
макромолекула в свою очередь состоит
из небольших строительных блоков.
В белках, нуклеиновых кислотах и по-
полисахаридах отдельные строительные
блоки соединены друг с другом кова-
лентными связями, тогда как в надмоле-
надмолекулярных ансамблях (в рибосомах, мем-
мембранах или хроматине) объединение
макромолекул происходит при помощи
значительно более слабых взаимодей-
взаимодействий. К таким взаимодействиям отно-
относятся, в частности, водородные связи,
энергия которых составляет всего лишь
несколько килокалорий, тогда как энер-
энергия ковалентных связей достигает 80-100
ккал/моль. В рибосомах, представляю-
представляющих собой характерные и специфические
трехмерные комплексы, молекулы бел-
белков и РНК связаны друг с другом благо-
благодаря точному соответствию их структур
и образованию многочисленных слабых
связей (например, водородных), которые,
однако, в совокупности оказываются до-
достаточно сильными (рис. 3-14).
Хотя молекулы, играющие роль строи-
строительных блоков, очень малы по сравне-
сравнению с клетками и органеллами, они мо-
могут влиять на форму и функции этих
гораздо более крупных структур. Так,
при генетическом заболевании челове-
человека- серповидноклеточной анемии в эри-
эритроцитах больных обнаруживаются де-
дефектные молекулы гемоглобина, осу-
осуществляющего перенос кислорода. Это
обусловлено тем, что при синтезе моле-
молекул гемоглобина, состоящих почти из 600
аминокислотных остатков, два из них за-
заменяются на другие. Столь незначитель-
незначительное структурное изменение крошечного
участка молекулы гемоглобина приводит
к нарушению его нормальных функций:
эритроциты больных приобретают не-
неправильную форму и утрачивают спо-
способность нормально функционировать.
Этот пример показывает, что размеры,
форма и биологические функции не толь-
только макромолекул, но и целых клеток мо-
могут зависеть от размеров и формы их эле-
элементарных структурных компонентов.
3.10. Биомолекулы первыми
возникли в процессе
химической эволюции
Поскольку у всех видов живых орга-
организмов макромолекулы образуются од-
одним и тем же способом всего лишь из не-
нескольких десятков молекул, играющих
роль строительных блоков, было выска-
высказано предположение, что все живые орга-
организмы произошли от одной первичной
линии клеток. Согласно этому предполо-
предположению, первые возникшие на Земле и вы-
выжившие клетки были построены всего из
нескольких десятков различных органи-
органических молекул, причем каждая из них
в отдельности и все они вместе взятые
оказались наделенными химическими
и физическими свойствами в таком бла-
благоприятном сочетании, что это позволи-
позволило им функционировать в качестве строи-
строительных блоков макромолекул и осу-
осуществлять столь важные для живых
клеток процессы, как преобразование
энергии и самовоспроизведение. Такой
набор первичных биомолекул, вероятно,
сохранялся в ходе биологической эволю-
эволюции в течение миллиардов лет вследствие
его уникальной «пригодности» для ре-
реализации процессов жизнедеятельности.
Однако здесь мы сталкиваемся с од-
одним противоречием. В настоящее время
органические соединения, в том числе
и основные биомолекулы, в земной коре
встречаются лишь в следовых количе-
количествах. Каким же образом у первых живых
организмов возникли столь харктерные
органические соединения, используемые
в качестве строительных блоков? В 20-х
годах нашего столетия А. И. Опарин вы-
высказал предположение, что на ранних
этапах истории Земли в водоемах на ее
поверхности содержалось много раз-
ГЛ. 3. СОСТАВ ЖИВОЙ МАТЕРИИ: БИОМОЛЕКУЛЫ
73
личных органических соединений, кон-
концентрация которых могла быть доста-
достаточно высокой. Примерно 3 млрд. лет
назад из этого теплого органического
жении миллионов лет самопроизвольно
объединялись, что привело в конце кон-
концов к возникновению мембран, белков
и катализаторов, которые образовали
«бульона» каким-то образом возникли
первые примитивные живые клетки. Опа-
Опарин предположил, что химические и фи-
физические процессы, происходившие на
первобытной Земле, могли приводить
к самопроизвольному образованию про-
простых органических соединений, таких, как
аминокислоты и сахара, из компонентов
первичной атмосферы, которая по свое-
своему составу сильно отличалась от нашего
воздуха.
Согласно теории Опарина, под воздей-
воздействием электрической энергии грозовых
разрядов или тепла, выделявшегося в ре-
результате вулканической деятельности
(рис. 3-15), происходила активация мета-
метана, аммиака, водяных паров и других
компонентов первичной атмосферы, так
что они вступали в реакции друг с дру-
другом, приводившие к образованию про-
простых органических соединений. Считают,
что эти соединения могли конденсиро-
конденсироваться и растворяться в первичном океа-
океане, который постепенно, в течение столе-
столетий, обогащался простыми органически-
органическими соединениями самых разных типов.
В этом теплом растворе некоторые орга-
органические молекулы более активно взаи-
взаимодействовали друг с другом, образуя
при этом более крупные комплексы
и структуры. Последние в свою очередь
очень медленно и постепенно на протя-
Рис. 3-15. Вспышки молний, сопровождавшие
вулканическое извержение, в результате которо-
которого в 1963 г. у берегов Исландии возник остров
Сертси. Интенсивные электрические поля, высо-
высокие температуры и ударные волны, весьма часто
возникавшие при таких катаклизмах на пер-
первобытной Земле, могли сыграть роль основного
фактора в происхождении органических соеди-
соединений.
единые системы, послужившие предше-
предшественниками первых примитивных жиз-
жизнеспособных клеток. В течение многих
лет гипотеза Опарина оставалась спеку-
спекулятивной, так как казалось, что она не
поддается проверке.
3.11. Химическую эволюцию
можно воспроизвести
в лабораторных условиях
Сейчас концепция Опарина о происхо-
происхождении биомолекул подтверждена ре-
результатами лабораторных эксперимен-
экспериментов. Классический опыт, иллюстрирую-
иллюстрирующий абиотическое (небиологическое)
происхождение органических биомоле-
биомолекул, провел в 1953 г. Стенли Миллер.
В течение недели (или дольше) он пропу-
пропускал электрические разряды, которые
должны были имитировать молнии, че-
через газовые смеси метана, аммиака, во-
водяных паров и водорода, заполнявшие
пространство между двумя электродами
(рис. 3-16). Затем он охлаждал содержи-
содержимое закрытого сосуда, в котором прово-
проводилась реакция, чтобы сконденсировать
водорастворимые компоненты, и анали-
анализировал образовавшиеся продукты. В га-
газовой фазе Миллер обнаружил окись
и двуокись углерода и азот, которые, оче-
очевидно, образовались из исходной газовой
74
ЧАСТЬ 1 БИОМОЛЕКУЛЫ
Электроды
Искровой
разряд
Смесь
NH3, CH4,
И г и Н20
при 80°С
Рис. 3-16. Искроразрядный аппарат, предназна-
предназначенный для демонстрации абиотического обра-
образования органических соединений в условиях
первичной атмосферы.
смеси. В темно окрашенном конденсате
содержались значительные количества
водорастворимых органических веществ.
Среди соединений, идентифицированных
Миллером, оказались ос-аминокислоты,
в том числе некоторые аминокислоты,
входящие в состав белков. Кроме того,
было обнаружено несколько простых ор-
органических кислот, встречающихся
в живых организмах, и в частности уксус-
уксусная кислота.
Миллер высказал предположение, что
сначала из метана и аммиака образовал-
образовался цианистый водород (HCN)-вещество,
обладающее очень высокой реакционной
способностью; последующее взаимодей-
взаимодействие цианистого водорода с другими
компонентами газовой смеси привело
к образованию ряда аминокислот. С тех
пор другие исследователи провели много
экспериментов подобного типа с исполь-
использованием различных смесей газов, в том
числе азота, водорода, окиси и двуокиси
углерода; эти эксперименты вновь проде-
продемонстрировали, что при наличии доступ-
доступного источника энергии из таких смесей
легко образуются аминокислоты и дру-
другие органические биомолекулы. Было
установлено, что образование простых
органических молекул активируется под
влиянием самых разных форм энергии
и излучения-тепла, видимого света, уль-
ультрафиолетового излучения, рентгенов-
рентгеновских лучей, у-излучения, искровых и ти-
тихих электрических разрядов, ультразвука,
ударных волн, а также а- и р-частиц.
В экспериментах по имитации условий,
существовавших на первобытной Земле,
легко образуются сотни различных орга-
органических соединений, в том числе пред-
представители всех наиболее важных типов
молекул, содержащихся в клетках, а так-
также целый ряд веществ, не встречающихся
в живой природе. Среди всех этих ве-
веществ обнаружены многие аминокис-
аминокислоты, входящие в состав белков, азо-
азотистые основания, выполняющие роль
строительных блоков нуклеиновых кис-
кислот, и ряд органических кислот и Сахаров,
содержащихся в биологических системах.
Таким образом, представляется вполне
вероятным, что первичный океан был
обогащен растворимыми органическими
соединениями, в число которых, возмож-
возможно, входили многие, если не все, моле-
молекулы, используемые сегодня в живых
клетках в качестве строительных блоков.
Важным подтверждением того, что
простые органические молекулы могут
образоваться небиологическим путем,
послужило обнаружение спектроскопиче-
спектроскопическим методом сотен различных органи-
органических соединений в межзвездном про-
пространстве. Эти наблюдения позволили
предположить, что жизнь могла возник-
возникнуть и в других частях Вселенной. Под
термином химическая эволюция подразу-
подразумевается возникновение органических ве-
веществ из неорганических предшественни-
предшественников под воздействием энергии и их
дальнейшее развитие. Теперь мы знаем,
что Земля образовалась примерно 4800
млн. лет назад. Предполагается, что хи-
химическая эволюция продолжалась на Зе-
Земле по меньшей мере в течение первых
1000 млн. лет ее истории. Затем, вероятно
около 3500 млн. лет назад, возникли
первые живые клетки, после чего начался
процесс биологической эволюции, ко-
который продолжается и в наши дни.
ГЛ. 3. СОСТАВ ЖИВОЙ МАТЕРИИ: БИОМОЛЕКУЛЫ
75
Сейчас концентрация органических со-
соединений в океанах относительно невели-
невелика; вне живых организмов биомолекулы
можно обнаружить лишь в следовых ко-
количествах. Что же случилось с пер-
первичным «бульоном», богатым органиче-
органическим веществом? Предполагают, что
первые живые клетки использовали со-
содержащиеся в морях органические соеди-
соединения не только как строительные блоки
для создания собственных структур, но
и в качестве питательных веществ или
«топлива», чтобы обеспечить себя энер-
энергией, необходимой для роста. Постепен-
Постепенно с течением времени органические ве-
вещества в первичном море стали исчезать
быстрее, чем они образовывались под
воздействием природных сил. Эта идея,
а по существу и вся концепция химиче-
химической эволюции в целом, была сформули-
сформулирована более 100 лет назад Чарлзом Дар-
вином. Об этом свидетельствует следую-
следующий отрывок из письма, которое он
написал в 1871 г. сэру Джозефу Хукеру:
«Часто говорят, что и сейчас существуют
все условия, которые необходимы были
для возникновения первых живых орга-
организмов. Но если (о, как велико это «ес-
«если») предположить, что в одном из не-
небольших теплых водоемов из всех содер-
содержащихся в нем производных аммиака
и солей фосфорной кислоты под влия-
влиянием света, тепла, электричества и т.д.
возникло белковое соединение, готовое
к дальнейшим более сложным превраще-
превращениям, то в наши дни оно было бы немед-
немедленно поглощено или уничтожено. Одна-
Однако до того, как появились живые суще-
существа, этого произойти не могло».
Исчезновение органических молекул из
морей заставило живые организмы
«учиться» самим создавать свои соб-
собственные органические биомолекулы.
Они научились использовать энергию
солнечного света путем фотосинтеза для
получения Сахаров и других органиче-
органических соединений из двуокиси углерода;
они научились также фиксировать азот
из атмосферы и превращать его в азотсо-
азотсодержащие биомолекулы, например ами-
аминокислоты. В ходе дальнейшей эволюции
различные живые организмы начали
взаимодействовать друг с другом, обме-
обмениваясь питательными веществами
и энергией, что приводило к созданию
все более сложных экологических систем.
Опираясь на эти вводные главы, посвя-
посвященные клеткам и взаимодействующим
биомолекулам, из которых они состоят,
мы можем приступить теперь к более де-
детальному рассмотрению молекулярных
компонентов клеток, не забывая о том,
что все они подчиняются сложным зако-
законам молекулярной логики живого. Мы
начнем с воды-жидкого матрикса всех
живых организмов.
Краткое содержание главы
Большая часть сухого вещества живых
организмов состоит из углеродсодержа-
щих органических соединений, в которых
атомы углерода ковалентно связаны
с другими атомами углерода, а также
с атомами водорода, кислорода и азота.
Углерод был отобран в ходе биологиче-
биологической эволюции, по-видимому, из-за нали-
наличия у него целого ряда благоприятных
свойств. К их числу относится способ-
способность углеродных атомов соединяться
друг с другом при помощи одинарных
и двойных связей, что делает возможным
образование самых разнообразных (ли-
(линейных, разветвленных и циклических)
скелетных структур, к которым присое-
присоединяются различные функциональные
группы. Органические биомолекулы
имеют характерные трехмерные формы,
или конформации. Многие биомолекулы
существуют в асимметрических, или хи-
ральных, формах, называемых энантио-
мерами.
Большая часть органического веще-
вещества в живых клетках состоит из макро-
макромолекул четырех основных типов: ну-
нуклеиновых кислот, белков, полисахари-
полисахаридов и ансамблей липидных молекул. Все
макромолекулярные системы образуют-
образуются из небольших, ковалентно связанных
друг с другом молекул, играющих роль
строительных блоков; число типов таких
молекул относительно невелико. Моле-
Молекулы белков представляют собой цепи,
построенные из аминокислот двадцати
типов; нуклеиновые кислоты-это цепи,
состоящие из нуклеотидных единиц
76
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
четырех типов, а полисахариды-цепи
простых повторяющихся остатков Саха-
Сахаров. Нуклеиновые кислоты и белки назы-
называются информационными макромоле-
макромолекулами; так как характерные последова-
последовательности их строительных блоков отра-
отражают генетическую индивидуальность
различных видов организмов. Полисаха-
Полисахариды, напротив, не являются информа-
информационными молекулами, поскольку они
состоят из одинаковых повторяющихся
единиц.
В молекулярной организации клеток
существует структурная иерархия. Клет-
Клетки содержат органеллы, такие, как ядро
и митохондрии, которые в свою очередь
содержат надмолекулярные структуры,
например мембраны и рибосомы, а эти
последние представляют собой группу
объединенных между собой макромоле-
макромолекул, связанных друг с другом с помощью
многочисленных относительно слабых
межмолекулярных связей. В макромоле-
макромолекулах отдельные строительные блоки со-
соединены друг с другом ковалентными
связями.
Типичные биомолекулы, используемые
в качестве строительных блоков, возни-
возникли самопроизвольно на ранних этапах
истории Земли из атмосферных газов
и воды под воздействием энергии. Эти
процессы, в совокупности называемые
химической эволюцией, можно воспроиз-
воспроизвести в лабораторных условиях. Совре-
Современные биомолекулы (строительные
блоки), по-видимому, были отобраны на
ранних этапах биологической эволюции
благодаря тому, что они оказались луч-
лучше других приспособленными для вы-
выполнения биологических функций. Число
таких биомолекул относительно невели-
невелико, однако они обладают весьма разно-
разнообразными свойствами и каждая из них
может выполнять в клетках самые раз-
разные функции.
ЛИТЕРАТУРА
Baker J.J., Allen G.E. Matter, Energy, and Life:
An Introduction for Biology Students, 4th ed.,
Addison-Wesley, Reading, Mass., 1981.
Callewaert D.M., GenyeaJ. Basic Chemistry:
General, Organic, Biological, Worth, New
York, 1980.
Calvin M. Chemical Evolution, Oxford
University Press, London, 1969. (Имеется
перевод: Кальвин М. Химическая эволю-
ЦИЯ.-М.: Мир, 1971.)
Dickerson R. Е., Geis I. Chemistry, Matter, and
the Universe, Benjamin, Menlo Park, Calif.,
1976.
Frieden E. The Chemical Elements of Life, Sci.
Am., 227, 52-64, July A972).
Lehninger A. L. Biochemistry, 2d ed., Worth, New
York, 1975.
В главе 37 более подробно рассматривается
происхождение биомолекул и клеток.
Morrison R. Г, Boyd R.N. Organic Chemistry,
3d ed., Allyn and Bacon, Boston, 1973. Пре-
Прекрасный учебник органической химии; рас-
рассматриваются многие биомолекулы.
Orgel L. The Origins of Life: Molecules and
Natural Selection, Wiley, New York, 1973.
Очень интересная книга.
Weinberg S. The First Three Minutes: A Modern
View of the Origin of the Universe, Basic
Books, New York, 1977.
White E.H. Chemical Background for the
Biological Sciences, 2d ed., Prentice-Hall,
Englewood Cliffs, N.J., 1970.
Вопросы и задачи
1. Витамин С: отличается ли искусственно
синтезированный витамин от природного?
Производители пищевых продуктов, бо-
богатых витаминами, утверждают, в частно-
частности, что витамины, полученные из при-
природных источников, полезнее для здоровья,
чем синтезированные искусственным пу-
путем. Считается, например, что чистая L-
аскорбиновая кислота (витамин С) из пло-
плодов шиповника полезнее L-аскарбиновой
кислоты, синтезированной на химическом
заводе. Различаются ли витамины из этих
двух источников? Может ли организм раз-
различать витамины из разных источников?
2. Идентификация функциональных групп.
В табл. 3-4 и 3-5 показаны основные функ-
функциональные группы. Поскольку свойства
и биологическая активность биомолекул
в значительной степени зависят от их функ-
функциональных групп, важно уметь их иденти-
идентифицировать. Укажите функциональные
группы для каждой из приведенных ниже
биомолекул и назовите их.
а)
Н Н
H2N—С—С—ОН
Н Н
Этаноламин
ГЛ. 3. СОСТАВ ЖИВОЙ МАТЕРИИ: БИОМОЛЕКУЛЫ
77
б)
Н
н—с—он
н—с—он
н—с—он
н
в)
о
II
-о—р—о-
\ }
С=С—СОО"
н
Глицерол Фосфоенолпируват (промежуточ-
(промежуточный продукт метаболизма
глюкозы)
г* соон
H2N— С—Н
Н—С—ОН
СНз
Треонин (аминокислота)
Д) О О
сн2
сн2
NH
« V0
Н—С—NH2
НО—С—Н
н—с—он
н—с—он
СН2ОН
D-глюкозамин
НС—ОН
СН3—С—СНз
СН2ОН
Пантотенат (витамин)
3. Активность лекарственных веществ и сте-
стереохимия. В некоторых случаях количе-
количественные различия в биологической актив-
активности двух энантиомеров одного и того же
соединения выражены очень сильно. На-
Например, D-изомер изопротеренола-лекар-
изопротеренола-лекарственного препарата, применяемого при
легких приступах астмы, действует как
бронхорасширяющее средство в 50-80 раз
активнее, чем L-изомер. Укажите хи-
ральный центр в молекуле изопротеренола.
Почему два энантиомера так сильно разли-
различаются по биологической активности?
4. Действие лекарственных препаратов и фор-
форма молекул. Две фирмы, изготовляющие
лекарственные препараты, выпускают один
и тот же антидепрессант под разными ком-
коммерческими названиями -декседрин и бен-
бензедрин. Структурная формула этого веще-
вещества приводится ниже. По элементарному
составу (т. е. по содержанию С, Н и N) и фи-
физическим свойствам (температура плавле-
плавления, растворимость и т.д.) оба препарата
идентичны. Тем не менее декседрин реко-
рекомендуют применять внутрь в количестве
5 мг в день, тогда как рекомендуемая доза
для препарата бензедрина значительно вы-
выше. Это означает, что для достижения
одного и того же физиологического эффек-
эффекта бензедрина требуется значительно боль-
больше, чем декседрина. Объясните это кажу-
кажущееся противоречие.
ОН Н Н
С—СН2—N— С—СН3
НО
СН,
Изопротеренол
Задача 4
Н
V- СН2—С— СНз
NH,
5. Строительные блоки сложных биомолекул.
Хотя число природных биомолекул огром-
огромно и они чрезвычайно сложны по своей
структуре, строение этих молекул основано
на простых принципах, поскольку все они
образуются из ограниченного набора
строительных блоков. Структура наиболее
важных строительных блоков сложных
биомолекул показана на рис. 3-11. Укажите
строительные блоки, из которых состоят
три изображенные ниже биомолекулы,
имеющие важное биологическое значение,
а) Аденозинтрифосфат (АТР)-биомолеку-
(АТР)-биомолекула, являющаяся носителем энергии
О
О
О
"О—Р—О—Р—О—Р—ОСН2 о
-о -о -о
\н
он он
б) Фосфатидипхолин, основной компонент
клеточных мембран у высших организ-
организмов
78
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
сн3 о-
HjC—N—СН2—СН2—О—Р—О—СН2 Н Н
СН3 О НС—О—С—(СН2)?—С=С—(СН2O—СН3
о
СН2—О—С—(СН2I4—Г.Н3
о
в) Энкефалин, содержащий в пятом поло-
положении метионин (мет-энкефалин)-при-
(мет-энкефалин)-природный опиат мозга
НО
НО Н Н Н
I II I II..
СН2—С—С—N—С—С—N—С—С
I I I II I
NH2 Н Н О Н
6. Определение структуры биомолекулы. Из
мышц кролика вьщелили неизвестное веще-
вещество X. Его структура была установлена на
основе следующих наблюдений и экспери-
экспериментов. Результаты качественного анализа
показали, что это вещество содержит толь-
только углерод, водород и кислород. Взве-
Взвешенный образец вещества X был подверг-
подвергнут полному окислению и определены
количества образовавшихся Н2О и СО2.
Исходя из данных этого анализа, было сде-
сделано заключение, что весовое содержание
С, Н и О в X составляет соответственно
40,00%, 6,71% и 53,29%. Молекулярная мас-
масса вещества X, по данным масс-спектроме-
трии, оказалась равной 90,0. Методом ин-
инфракрасной спектроскопии было устано-
установлено, что в молекуле X имеется одна
двойная связь. Вещество X легко раство-
растворяется в воде, образуя кислый раствор. При
исследовании этого раствора с помощью
поляриметра было установлено, что
X обладает оптической активностью, при-
причем удельное вращение плоскости поляри-
поляризации [а]о равно +2,6°.
а) Определите эмпирическую формулу ве-
вещества X.
О СН2 Н Н
I II
—N—С—С—N—С—СООН
I I II I
н н о снг
сн2
S
I
сн3
б) Нарисуйте возможные структурные
формулы этого вещества, которые удов-
удовлетворяли бы эмпирической формуле
и имели одну двойную связь. Рассмотри-
Рассмотрите только линейные и разветвленные
структуры, не принимая во внимание ци-
циклические структуры. Учтите, что атомы
кислорода с трудом образуют связи друг
с другом.
в) Какое значение для структуры молекулы
имеет оптическая активность? Какие из
перечисленных в пункте б) структур нахо-
находятся в противоречии с этим наблюде-
наблюдением? Какие структуры соответствуют
этому наблюдению?
г) Какое значение для структуры молекулы
имеет тот факт, что при растворении
X образуется кислый раствор? Какие из
полученных структур можно теперь ис-
исключить? Какие структуры соответ-
соответствуют этому наблюдению?
д) Каково строение X? Совместимо ли со
всеми имеющимися данными наличие
более одной структуры?
ГЛАВА 4
ВОДА
Вода является наиболее широко рас-
распространенным веществом в живой при-
природе, и ее весовое содержание в большин-
большинстве живых организмов составляет 70°;,
и более. Кроме того, как мы уже говори-
говорили, первые живые организмы возникли,
вероятно, в первичном океане, так что во-
вода-это по существу прародительница
всего живого. Вода заполняет все со-
составные части каждой живой клетки,
и именно она представляет собой ту сре-
среду, в которой осуществляются транспорт
питательных веществ, катализируемые
ферментами метаболические реакции
и перенос химической энергии. Поэтому
все структурные элементы живой клетки
и их функции обязательно должны быть
приспособлены в отношении физических
и химических свойств воды. Более того,
как мы узнаем дальше, клетки научились
использовать уникальные свойства воды
для реализации некоторых процессов их
жизнедея гельности.
Часто мы рассматриваем воду просто
как безвредную инертную жидкость,
удобную для практического использова-
использования в разных целях. Хотя в химическом
отношении вода весьма устойчива, она
представляет собой вещество с довольно
необычными свойствами. В самом деле,
вода и продукты ее ионизации- ионы Н +
и ОН ~ -оказывают очень большое влия-
влияние на свойства многих важных компо-
компонентов клетки, таких, как ферменты, бел-
белки, нуклеиновые кислоты и липиды.
Например, каталитическая активность
ферментов в значительной мере зависит
от концентрации ионов Н+ и ОН ~ .
4.1. Необычные физические
свойства воды обусловлены
ее способностью участвовать
в образовании водородных
связей
По сравнению с большинством других
жидкостей вода имеет необычно высокие
температуры плавления и кипения и те-
теплоту испарения (табл. 4-1). Эти особен-
особенности воды свидетельствуют о сильном
притяжении между соседними молекула-
молекулами, вследствие чего жидкая вода характе-
характеризуется большим внутренним сцепле-
Таблица 4-1. Температуры плавления, темпе-
температуры кипения и теплоты испарения неко-
некоторых общеизвестных жидкостей
Вода
Метиловый спирт
Этиловый спирт
Пропиловый
спирт
Ацетон
Гексан
Бензол
Хлороформ
Т. пл.
С
0
-98
-117
- 127
-95
-98
6
-63
Т. кип.,
С
100
65
78
97
56
69
80
61
Теплота
испаре-
испарения,
кал/г"
540
263
204
164
125
101
94
59
" Количество тепловой энергии в калориях, не-
необходимое для превращения 1,0 г жидкости при
температуре ее кипения и атмосферном давлении
в газообразное состояние при той же температуре
и том же давлении.
80
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
нием. Теплота испарения и температура
кипения жидкости непосредственно опре-
определяются количеством энергии, необхо-
необходимой для преодоления сил притяжения
между соседними молекулами, в резуль-
результате чего они отрываются друг от друга
и жидкость переходит в газообразное
состояние.
Почему же для жидкой воды характер-
характерно столь сильное взаимное притяжение
молекул? Ответ на этот вопрос вытекает
из самой структуры молекулы воды.
Каждый из двух атомов водорода (в мо-
молекуле воды) объединяет свой электрон
с одним из электронов атома кислорода.
Взаимное расположение возникающих
при этом двух электронных пар обусло-
обусловливает V-образную форму молекулы
воды (рис. 4-1). Поскольку у атома кис-
кислорода имеются еще две неподеленные
электронные пары, он несет частичный
отрицательный заряд (в вершине V-об-
разной структуры). Более электроотри-
электроотрицательный атом кислорода стремится
притянуть электроны атомов водорода;
поэтому на ядрах обоих атомов водоро-
водорода (протонах) локализуются частичные
положительные заряды. Хотя молекула
воды в целом электрически нейтральна,
ее частичные отрицательный и положи-
положительный заряды пространственно разде-
разделены, что приводит к возникновению
у нее электрического диполъного момен-
момента. Благодаря такому разделению заря-
зарядов две соседние молекулы воды могут
притягиваться друг к другу за счет сил
электростатического взаимодействия ме-
между частичным отрицательным зарядом,
локализованным на атоме кислорода
одной молекулы воды, и частичным по-
положительным зарядом, локализованным
на атоме водорода другой молекулы
(рис. 4-1). Такой тип электростатическо-
электростатического притяжения называется водородной
связью.
Поскольку расположение электронов
вокруг атома кислорода близко к тетра-
эдрическому (рис. 4-1), каждая молекула
воды в принципе может образовать водо-
водородные связи максимально с четырьмя
соседними молекулами воды. Предпола-
Предполагается, что в любой данный момент
в жидкой воде при комнатной температу-
— Водородная
— связь 0,177 нм
Ковалентная
связь 0,0965 нм
В
Рис. 4-1. Биполярная природа молекулы Н2О.
показанная при помощи модели из шариков
и стержней (А) и пространственной модели (В).
Поскольку расположение валентных элек-
электронных пар вокруг атома кислорода в молеку-
молекуле воды близко к тетраэдрическому, на двух ато-
атомах водорода локализованы частичные положи-
положительные заряды, а на атоме кислорода -два
частичных отрицательных заряда. В. Две моле-
молекулы Н2О, связанные друг с другом водородной
связью (обозначена цветными черточками),
соединяющей атом кислорода верхней моле-
молекулы и атом водорода нижней молекулы. Ка-
Каждая молекула Н2О в принципе может быть свя-
связана водородными связями максимально
с четырьмя другими молекулами Н2О, как это
имеет место в случае льда (см. рис. 4-2).
ре каждая молекула воды образует водо-
водородные связи в среднем с 3,4 других мо-
молекул. Молекулы в жидкой воде находят-
находятся в непрерывном движении, поэтому
образующиеся водородные связи по-
постоянно и быстро разрываются и вновь
восстанавливаются. Во льду же моле-
молекулы воды зафиксированы в простран-
пространстве, и каждая из них оказывается связан-
связанной водородными связями с максималь-
максимально возможным числом соседних моле-
молекул, т.е. с четырьмя; при этом образуется
регулярная кристаллическая структура
(рис. 4-2). Вода может служить приме-
примером полярной жидкости. В отличие от нее
молекулы неполярных жидкостей, таких,
как бензол или гексан, не проявляют за-
ГЛ. 4. ВОДА
81
о
Рис. 4-2. Каждая молекула воды во льду связа-
связана водородными связями с четырьмя другими
молекулами воды, так что при этом образуется
регулярная кристаллическая решетка. В жидкой
воде при комнатной температуре каждая моле-
молекула воды связывается при помощи водородных
связей в среднем приблизительно с 3,4 молекул
воды. Таким образом, в жидкой воде молекулы
воды расположены относительно друг друга ме-
менее «рыхло», чем в кристаллической решетке
льда, вследствие чего лед обладает меньшей
плотностью по сравнению с водой и поэтому
всплывает в ней.
метной тенденции к электростатическо-
электростатическому притяжению. Поэтому для разруше-
разрушения межмолекулярных взаимодействий
в таких жидкостях требуется гораздо
меньше энергии, и значения теплоты ис-
испарения у гексана и бензола, как показы-
показывает опыт, действительно намного мень-
меньше, чем у воды (табл. 4-1).
Водородные связи слабее ковалентных.
Согласно имеющимся данным, энергия
водородных связей в жидкой воде (т.е.
энергия, необходимая для разрушения
одной связи) составляет всего лишь
около 4,5 ккал/моль, тогда как энергия
ковалентных связей Н —О в молекулах
воды равна 110 ккал/моль. Тем не менее
благодаря своей многочисленности водо-
водородные связи обеспечивают высокую
устойчивость жидкой воды. Хотя в лю-
любой данный момент большинство моле-
молекул в жидкой воде соединено между со-
собой водородными связями, время полу-
полужизни каждой из водородных связей
составляет менее 1 • 10 ~ 9 с. Вследствие
этого жидкая вода представляет собой не
вязкую, а весьма подвижную жидкость
Для обозначения присутствующих в жид-
жидкой воде короткоживущих групп моле-
молекул, связанных друг с другом водородны-
водородными связями, иногда используют термин
«мерцающие скопления» (flickering
clusters).
4.2. Водородные связи
широко распространены
в биологических системах
и играют в них важную роль
Водородные связи характерны не толь-
только для воды. Они легко образуются ме-
между любым электроотрицательным ато-
атомом (обычно кислородом или азотом)
и атомом водорода, ковалентно свя-
связанным с другим электроотрицательным
атомом в той же или другой молекуле
(рис. 4-3). Атомы водорода, соединенные
ковалентной связью с сильно электро-
электроотрицательными атомами, такими, как
кислород, всегда несут частичные поло-
положительные заряды и потому способны
к образованию водородных связей, тогда
как атомы водорода, ковалентно свя-
связанные с атомами углерода, которые не
обладают электроотрицательностью, не
несут частичного положительного заряда
и, следовательно, не способны образовы-
образовывать водородные связи. Именно это раз-
различие служит причиной того, что бути-
бутиловый спирт (СН3СН2СН2СН2ОН),
в молекуле которого один из атомов во-
водорода связан с кислородом и может, та-
таким образом, образовать водородную
связь с другой молекулой бутилового
спирта, обладает сравнительно высокой
температурой кипения (+117 Q. Наобо-
Наоборот, бутан (СН3СН2СН2СН3), который
не способен образовывать межмолеку-
межмолекулярные водородные связи, поскольку все
атомы водорода в его молекулах связаны
с углеродом, имеет низкую температуру
кипения ( — 0,5сС). Некоторые примеры
82
ЧАСТЬ 1 БИОМОЛЕКУЛЫ
Лонор водорода
—О—Н"»О=С
Акцептор водорода
\
—О—
—О— НииО
N—Н"»О=С
N — НпиО
\
N —
\
Рис. 4-3. Водородные связи. В связях этого типа
атом водорода неравномерно распределен ме-
между двумя электроотрицательными атомами.
А юм, с которым водород свячан ковалентно,
служит донором водорода, а электроотрица-
электроотрицательный атом другой молекулы акцептором.
В биологических системах электроотрица-
электроотрицательными атомами, участвующими в образова-
образовании водородных связей, являются кислород
и ачот; атомы углерода принимают участие
в образовании водородных связей только
в редких случаях. Расстояние между двумя элек-
электроотрицательными агомами, соединенными
водородной связью, варьирует от 0,26 до 0,31 нм.
Ниже показаны обычные типы водородных
связей.
Н
биологически важных водородных связей
показаны на рис. 4-4.
Одна из характерных особенностей во-
водородных связей состоит в том, что они
обладают наибольшей прочностью в тех
случаях, когда взаимная ориентация свя-
связанных между собой молекул обеспечи-
обеспечивает максимальную энергию электроста-
электростатического взаимодействия (рис. 4-5).
Другими словами, водородная связь ха-
характеризуется определенной направлен-
направленностью и вследствие этого способна
удерживать обе связанные с ее помощью
молекулы или группы в определенной
взаимной ориентации. Ниже мы увидим,
что именно это свойство водородных
связей способствует стабилизации строго
определенных пространственных струк-
структур, характерных для молекул белков
и нуклеиновых кислот, содержащих боль-
большое число внутримолекулярных водо-
водородных связей (гл. 7, 8 и 27).
4.3. Вода как растворитель
обладает необычными
свойствами
Вода является значительно лучшим
растворителем, чем большинство других
общеизвестных жидкостей. Многие кри-
кристаллические соли, такие, как хлористый
натрий, хорошо растворимы в воде, но
Рис. 4-4. Водородные связи, играющие важную
роль в биологических системах, могут соединять
два комплементарных основания, располо-
расположенные в разных цепях ДНК (А), гидроксильную
группу спирта и молекулу воды (Б), карбониль-
карбонильную группу кетона и молекулу воды (В), две по-
полипептидные цепи (Г).
Тимин
Н
гЦ
N. ,N—H
Аденин
\
\ //
N—СН
/
н
О
-5
н
V1
II
Q
н
ГЛ. 4. ВОДА
83
н
о
н
Сильная водородная связь
о
н"" хн
Слабая водородная связь
Рис. 4-5. Направленность водородной связи.
Верхняя структура характеризуется более
прочной водородной связью, поскольку при та-
такой ориентации взаимодействующих молекул
обеспечивается максимально возможное притя-
притяжение между частичными электрическими заря-
зарядами.
почти нерастворимы в неполярных жид-
жидкостях, например в хлороформе или бен-
бензоле. Это свойство обусловлено бипо-
биполярным характером молекулы воды.
Кристаллическая решетка соли стабили-
стабилизирована за счет очень сильного электро-
электростатического притяжения между чере-
чередующимися друг с другом положительно
и отрицательно заряженными ионами.
Когда кристалл NaCl помещают в воду,
биполярные молекулы воды начинают
очень сильно притягивать ионы Na+ и
Cl ~, извлекая их из решетки. В результа-
результате эти ионы в гидратированной форме
постепенно переходят в раствор
(рис. 4-6). Вода растворяет также многие
простые органические соединения, содер-
содержащие карбоксильные группы или ами-
аминогруппы, способные ионизироваться
при взаимодействии с водой.
Второй класс веществ, хорошо раство-
растворимых в воде, включает многие ней-
нейтральные органические соединения, со-
содержащие полярные функциональные
группы. К ним относятся, в частности, са-
сахара, спирты, альдегиды и кетоны. Раст-
Растворимость этих веществ обусловлена
способностью молекул воды образовы-
образовывать водородные связи с гидроксильны-
ми группами Сахаров и спиртов, а также
с карбоксильными группами альдегидов
и кетонов (см. рис. 4-4).
Рис. 4-6. Хорошая растворимость в воде мно-
многих кристаллических солей обусловлена гидра-
гидратацией ионов, образующих эти соли. Изобра-
Изображенная здесь кристаллическая решетка Nad
стабилизирована за счет сил притяжения между
ионами Na * и Cl ~. Кристалл растворяется в во-
воде вследствие гидратации ионов Na+ иС1 ,чт.о
приводит к их «выталкиванию» из кристалличе-
кристаллической решетки.
Гидратированный
ион Na +
Na +
Молекула воды
Гидратированный
ион Q—
84
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
Третий класс веществ-это вещества,
диспергируемые водой. Он включает сое-
соединения, содержащие как гидрофобные
(водоотталкивающие), так и гидро-
гидрофильные («любящие» воду) группы. Их
часто называют амфипатическими соеди-
соединениями. Примером таких соединений
может служить натриевая соль олеиновой
кислоты -жирной кислоты с длинной
цепью. Поскольку длинная углеводород-
углеводородная цепь гидрофобна и, по существу, не-
Na*
V
/
CH2
\
/ г
сн2
Противоион
Полярная
(катион)
голова
сн2
сн2
сн2
сн2
сн
сн2
сн
Неполярный хвост
сн2
Символ
сн2
сн2
сн2
сн2
сн2
Голова
Хвост
СНз
Олеат натрия
Водная фаза
Внутренняя гидрофобная,
или неполярная, фазв
Гидратированные ионы Na+
растворима в воде, стремление молекул
олеата натрия (мыла) перейти в водную
фазу с образованием истинно молекуляр-
молекулярного раствора выражено очень слабо
Однако олеат натрия легко дисперги-
диспергируется в воде, образуя агрегаты, назы-
называемые мицеллами, в которых гидро-
гидрофильные отрицательно заряженные кар-
карбоксильные группы обращены к водной
фазе и взаимодействуют с молекулами
воды, а гидрофобные неполярные углево-
углеводородные цепи спрятаны внутри струк-
структуры (рис. 4-7). Мицеллы могут содер-
содержать сотни или даже тысячи молекул
мыла. Такие мицеллы остаются равно-
равномерно суспендированными в воде, так
как все они несут отрицательный заряд
и потому стремятся оттолкнуться друг
от друга. Мыльная вода обычно бывает
мутной, потому что мицеллы имеют до-
довольно большие размеры и рассеивают
свет.
Характерное расположение непо-
неполярных групп в таких мицеллах обусло-
обусловлено стремлением окружающих мицел-
мицеллу молекул воды образовывать водо-
водородные связи друг с другом и связывать-
связываться с гидрофильными карбоксильными
группами, вынуждая тем самым углево-
углеводородные цепи перемещаться внутрь ми-
мицеллы, где они не могут контактировать
с водой. Молекулам воды «нравятся»
другие молекулы воды и карбоксильные
группы больше, чем углеводородные це-
цепи, которые не способны образовывать
водородных связей. Мы используем тер-
термин гидрофобное взаимодействие для
обозначения процесса объединения ги-
гидрофобных участков амфипатических
молекул внутри таких мицелл, однако на
самом деле речь идет о стремлении моле-
молекул воды, окружающих мицеллу, образо-
образовать как можно больше водородных свя-
связей друг с другом; именно это стремле-
Рис. 4-7. Образование мицеллы мыла в воле.
Неполярные хвосты молекул олеата натрия
скрыты внутри мицеллы, тогда как отрицатель-
отрицательно заряженные карбоксильные группы находят-
находятся на поверхности мицеллы. Число ионов Na +
в водной фазе равно числу отрицательных заря-
зарядов на мицелле, так что в целом раствор
электронейтрален.
ГЛ. 4. ВОДА
85
ние и служит движущей силой образова-
образования мицелл и причиной их стабильности.
Многие компоненты живых клеток, на-
например фосфолипиды (гл. 12), белки
(гл. 8) и нуклеиновые кислоты (гл. 27),
обладают амфипатическими свойствами
и стремятся образовать в водных раство-
растворах структуры, в которых неполярные,
гидрофобные, участки изолированы от
водной фазы. Более того, как мы увидим
ниже (гл. 12), именно мицеллярная орга-
организация амфипатических липидных мо-
молекул составляет «основу» биологиче-
биологических мембран.
4.4. Растворенные вещества
изменяют свойства воды
Водные растворы обладают четырьмя
важными свойствами, известными под
названием коллигативных свойств, в ос-
основе которых лежит изменение физиче-
физической константы воды под влиянием раст-
растворенных в ней веществ. К этим свой-
свойствам относятся: I) температура замер-
замерзания, 2) температура кипения, 3) давле-
давление пара и 4) осмотическое давление.
Слово «коллигативный» означает «взаи-
«взаимосвязанный». Коллигативные свойства
растворов - это свойства, имеющие об-
общую основу и изменяющиеся под влия-
влиянием растворенных веществ так, что эти
изменения можно заранее предсказать.
Раствор 1,00 моля любого идеального
нелетучего вещества в 1000 г воды (или
какого-либо другого растворителя) назы-
называется молялъным A т) раствором. В та-
Водный раствор
вещества, не про-
проникающего через
полупроницаемую
Трубка мембрану
h
ком растворе влияние растворенного ве-
вещества проявляется в том, что при дав-
давлении 760 мм рт. ст. температура замер-
замерзания воды @°С в случае чистой воды)
снижается до — 1,86 С, температура ки-
кипения (обычно 100°С) повышается до
100,543°С, а осмотическое давление, из-
измеряемое при помощи специальной ап-
аппаратуры (рис. 4-8), достигает 22,4 атм.
Идеальным растворенным веществом
называется такое вещество, которое не
диссоциирует на две или более составные
части и не претерпевает ассоциации, при-
приводящей к уменьшению общего числа
растворенных частиц. Коллигативные
свойства зависят только от числа раство-
растворенных частиц в единице объема раство-
растворителя и не зависят от их химического
строения. Это объясняется тем, что один
моль любого неионизированного со-
Рис. 4-8. Осмос и осмотическое давление. А. Ис-
Исходное состояние. Вода перетекает из внешнего
пространства через мембрану внутрь раствора,
стремясь выравнять концентрации воды по обе
стороны мембраны. Б. Конечное состояние. Во-
Вода проникла в раствор вещества, молекулы кото-
которого неспособны проходить сквозь мембрану,
в результате чего произошло разбавление
раствора. В состоянии равновесия давление
столба раствора, имеющего высоту И, точно
уравновешивает осмотическое давление, харак-
характеризующее стремление воды перетекать в зону
с более низкой ее концентрацией. В. Осмотиче-
Осмотическое давление это сила, которую необходимо
приложить к поршню, чтобы предотвратить на-
направленный в противоположную сторону осмо-
осмотический ток жидкости- Оно численно равно ги-
гидростатическому давлению столба жидкости
высотой И.
Поршень
Полупроницаемая
мембрана
А
86
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
единения содержит строго определен-
определенное число F,02 • 1023) молекул (число
Авогадро). Отсюда следует, что lm
растворы глицерина (мол. масса 92)
и глюкозы (мол. масса 180) должны
иметь одинаковые температуры замерза-
замерзания (— 1,86°С), температуры кипения
A00,543 С) и осмотические давления
B2,4 атм), поскольку оба этих раствора
содержат одно и то же число молекул
в 1000 г A л) воды. Температура замерза-
замерзания 0,100 m раствора глюкозы должна
быть в 10 раз меньше, чем температура
замерзания 1,0 т раствора, т. е.-О,186°С,
так как число молекул в этом растворе
(на 1 л воды) в 10 раз меньше, чем в lm
растворе. 0,100 m раствор NaCl, в кото-
котором все молекулы полностью диссоци-
диссоциированы на ионы Na + и О ~~, должен за-
замерзать при — 0,372°С, поскольку число
частиц растворенного в нем вещества (на
1 л воды) в два раза больше, чем
в 0,100 m растворе глюкозы. Все эти пра-
правила, позволяющие предвидеть коллига-
тивные свойства и предсказывать чис-
численные значения соответствующих кон-
констант, точно соблюдаются только
в случае разбавленных водных раство-
растворов.
Рассмотренная выше способность во-
воды изменять свои свойства под влиянием
растворенных в ней веществ имеет очень
важное биологическое значение. Она по-
позволяет, например, пресноводным рыбам
сохранять активность в воде при темпе-
температуре ее замерзания, так как общая кон-
концентрация всех растворенных веществ
в крови рыб достаточно высока, чтобы
температура ее замерзания оказалась ни-
ниже температуры замерзания воды. Кроме
того, благодаря наличию в крови раство-
растворенных веществ, в частности белков, не
способных проходить сквозь капил-
капиллярные мембраны, в крови создается бо-
более высокое осмотическое давление, чем
в межклеточной жидкости. В результате
вода диффундирует из межклеточной
жидкости в кровеносные капилляры, что
способствует заполнению сосудистой си-
системы и предохраняет ее от коллапса.
Другая причина, по которой раство-
растворенные вещества влияют на свойства во-
воды, состоит в том, что эти вешества
стремятся разрушить водородные связи
между молекулами воды. Присутствие
в воде веществ ионной природы, таких,
как NaCl, приводит к заметному измене-
изменению структуры жидкой воды. Это обус-
обусловлено тем, что каждый ион (в частно-
частности, ионы Na + и Cl ~ ) окружен гидрат-
ной оболочкой, состоящей из дипольных
молекул воды, причем геометрия и свой-
свойства таких гидратированных ионов не-
несколько отличаются от геометрии
и свойств ассоциатов (кластеров), обра-
образуемых молекулами воды за счет водо-
водородных связей; гидратированные ионы
имеют более упорядоченную и более ре-
регулярную структуру. Таким образом,
растворенные соли стремятся разрушить
нормальную структуру жидкой воды
и изменить ее свойства как растворителя.
Ниже мы увидим, что растворимость
белков резко уменьшается при повыше-
повышении концентрации нейтральных солей,
например NaCl, Na2SO4 и (NH4JSO4, из-
изменяющих свойства воды и снижающих
ее способность растворять белки. Такое
влияние растворенных нейтральных со-
солей может быть использовано для разде-
разделения смеси белков, поскольку многие
белки различаются по своей способности
осаждаться из солевых растворов.
4.5. Состояние равновесия
обратимых реакций
характеризуется константой
равновесия
Молекулы воды обладают слабо выра-
выраженной способностью к обратимой иони-
ионизации, в процессе которой они распа-
распадаются на ионы водорода (Н + ) и ионы
гидроксила (ОН " ); при этом между не-
диссоциированными молекулами и иона-
ионами устанавливается равновесие:
Н2О ^± Н+ + ОН". A)
Поскольку обратимая ионизация воды
имеет очень важное значение для пони-
понимания свойств и роли воды в функциони-
функционировании живой клетки, мы должны рас-
располагать способом выражения степени ее
ионизации в количественных терминах.
Рассмотрим кратко некоторые общие
свойства обратимых реакций.
ГЛ. 4. ВОДА
87
Состояние равновесия любой химиче-
химической реакции характеризуется констан-
константой равновесия. Выражение константы
равновесия для обшей реакции
А + В — С + D
B)
легко можно получить исходя из закона
действующих масс. Согласно этому зако-
закону, химическая реакция, описываемая
уравнением B), будет протекать слева на-
направо, пока не установится новое состоя-
состояние равновесия, если мы увеличим кон-
концентрацию одного из реагирующих ве-
веществ (А или В) либо концентрации
обоих этих веществ. И наоборот, увели-
увеличение концентрации веществ С или D ли-
либо одновременное увеличение концентра-
концентраций обоих этих веществ приведет к тому,
что данная реакция будет идти справа на-
налево до достижения нового равновесия.
Этому принципу можно дать также более
количественную формулировку. Ско-
Скорость прямой реакции vv, протекающей
слева направо, пропорциональна про-
произведению активных концентраций ре-
реагирующих веществ А и В:
v, =Л,[А][В],
где kt -константа пропорциональности,
а квадратные скобки означают моляр-
молярную концентрацию. Скорость обратной
реакции, v2, протекающей справа налево,
равна соответственно
v2 = k2\C]\p].
Поскольку равновесие определяется как
состояние, при котором скорости прямой
и обратной реакции равны, при равнове-
равновесии должно соблюдаться равенство
= v2
и, следовательно:
Преобразование этого выражения дает
k2 [А] [В]
Отношение двух констант скорости
Кобр
стантой, а именно константой равнове-
равновесия Кщ, равной
к, _
еЧ~
[Штрих означает, что величина кон-
константы равновесия выражает отношение
молярных (а не весовых или объемных)
концентраций исходных реагирующих
веществ и продуктов реакции.]
Константа равновесия-это постоян-
постоянная величина, являющаяся количествен-
количественной характеристикой любой химической
реакции, протекающей при определенной
температуре. Она позволяет вычислить
состав равновесной смеси для данной ре-
реакции независимо от количеств исходных
веществ и образующихся продуктов.
И наоборот, если известны концентрации
всех исходных реагентов и конечных про-
продуктов в состоянии равновесия, то для
данной реакции, протекающей при из-
известной температуре, легко можно вы-
вычислить величину константы равновесия.
4.6. Ионизацию воды можно
охарактеризовать величиной
константы равновесия
Перейдем теперь от общих рассужде-
рассуждений к рассмотрению интересующего нас
процесса ионизации воды и попытаемся
описать его в количественных терминах.
Этот обратимый процесс приводит, как
указывалось выше, к образованию водо-
водородных и гидроксильных ионов. Однако,
когда мы используем термин «водо-
«водородный ион» и символ «Н +», следует
иметь в виду, что «голых» водородных
ионов, т. е. свободных протонов, в воде не
существует, поскольку они, как и боль-
большинство других ионов, всегда гидратиро-
ваны, т.е. окружены гидратной оболоч-
оболочкой. Гидратированную форму иона Н +
называют ионом гидрония или ионом ги-
дроксония. Его часто обозначают Н3О +,
однако в действительности каждый ион
Н + плотно окружен несколькими моле-
молекулами Н2О, число которых зависит от
температуры.
В соответствии с уравнением
может быть заменено одной новой кон-
Н2О
н+ + он
C)
88
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
ионизация воды происходит лишь в не-
незначительной степени; в любой данный
момент при 25°С всего одна из 10 мил-
миллионов молекул чистой воды находится
в ионизированном состоянии. Хотя вода
характеризуется очень слабой тенден-
тенденцией к ионизации, образующиеся при
этом ионы Н + и ОН ~ играют исключи-
исключительно важную роль в биологических
, процессах. Поэтому мы должны уметь
количественно выражать степень иониза-
ионизации воды.
Мы можем сделать это, если напишем
выражение для константы равновесия
обратной реакции C):
Это выражение можно упростить, так как
относительная концентрация Н2О очень
высока (она равна числу граммов воды
в 1 л, деленному на ее молекулярную
массу в граммах, т. е. 1000 :18 = 55,5 М) и
поэтому представляет собой практически
постоянную величину по отношению к
очень низким концентрациям A • 10~ 7 М)
ионов Н+ и ОН" в чистой воде при
25°С. Таким образом, мы можем под-
подставить в выражение для константы
равновесия величину 55,5, после чего
получим
v. [н + ][он-]
55,5
или
Численное значение величины К^ бы-
было тщательно определено на основе дан-
данных по электропроводности чистой воды
(в чистой воде электрический ток могут
проводить только ионы, образующиеся
в результате диссоциации Н2О). При
25°С оно оказалось равным 1,8- КГ16.
Подставляя это значение в приведен-
приведенное выше уравнение, получим:
E5,5)A,810-16)=[Н +
99,910-16=[Н +
Если обозначить произведение 55,5Keq
через Kw, то можно записать соотноше-
соотношение:
Kw = 1,0-10- 14 = [Н + ] [ОН ~ ].
Величина Kw называется ионным произве-
произведением воды; ее численное значение при
25°С равно 1,0-10 ~ 14. Это означает, что
произведение [Н+] [ОН~] в водных раст-
растворах при 25°С всегда равно строго оп-
определенной величине, а именно 1-10~14.
Если концентрации ионов Н+ и ОН~
в точности равны друг другу, что име-
имеет место, например, в чистой воде, то
такой раствор называется нейтральным.
Исходя из численного значения ионного
произведения воды, можно рассчитать
концентрацию ионов Н + и ОН ' в воде:
Решая это уравнение относительно Н +,
имеем
[Н+ ]=
Так как ионное произведение воды явля-
является величиной постоянной, очевидно,
что если концентрация ионов Н+ превы-
превышает 1 • 10 М, то концентрация ионов
ОН" должна быть меньше 1 ¦ 10~7 М,
и наоборот. Таким образом, когда кон-
концентрация ионов Н+ очень высока, как
это имеет место, например, в раство-
растворе соляной кислоты, концентрация ионов
ОН ~ должна быть очень низка, посколь-
поскольку их произведение всегда должно оста-
оставаться равным Ы0~м. И наоборот,
если концентрация ионов ОН ~ очень вы-
высока, как, например, в растворе NaOH, то
концентрация ионов Н+ должна быть
очень низка. Следовательно, если мы
знаем концентрацию ионов ОН ~, то, ис-
исходя из численного значения ионного
произведения воды, мы можем вычис-
вычислить концентрацию ионов Н +, а если мы
знаем концентрацию ионов Н +, то мож-
можно вычислить соответственно концентра-
концентрацию ионов ОН" (см. дополнение 4-1).
ГЛ. 4. ВОДА
89
4.7. Шкала рН: обозначения
концентраций ионов Н + и ОН ~
Шкала рН представляет собой
удобный способ обозначения истинной
концентрации ионов Н + (а следователь-
следовательно, и ионов ОН"") в любом водном рас-
растворе, кислотность которого лежит в ин-
интервале между 1,0 М Н + и 1,0 М ОН -.
Шкала рН составлена на основе ионного
произведения воды Kw.
Термин рН определяется выражением
рН = log -
1
= -iog[H + ;
В строго нейтральном растворе, в кото-
котором концентрация ионов Н + составляет
1,0-10" 7 М, величина рН при 25°С равна
1
PH = log < ;»_7=log(l х 107) =
7; рН = 7.
1 х 10
= logl,0 + logl07 =
Значение 7,0 для рН строго нейтрального
раствора-это не случайно выбранная
цифра; оно получено из численного зна-
значения ионного произведения воды при
25°С. Растворы, имеющие рН больше
чем 7, являются щелочными, посколь-
поскольку концентрация ионов ОН"" в таких
растворах больше концентрации ионов
Н + . И наоборот, растворы, имеющие
рН меньше 7,-это кислые растворы
(табл. 4-2).
Особенно важное значение имеет то
обстоятельство, что шкала рН является
не арифметической, а логарифмической.
Если говорят, что величины рН каких-то
двух растворов различаются на одну еди-
единицу, то это означает, что концентрация
ионов Н + в одном из них в 10 раз боль-
больше, чем в другом, хотя мы можем и не
знать абсолютные значения рН этих рас-
растворов. На рис. 4-9 приведены значения
рН для некоторых жидкостей. Заметим,
что концентрация ионов Н + в напитке
кока-кола (рН 3) или в красном вине (рН
Дополнение 4-1. Ионное произведение воды
Ионное произведение воды позволяет вычислить кон-
концентрацию ионов Н +, если известна концентрация ионов ОН ~, и на-
наоборот. Две приведенные ниже задачи иллюстрируют эту возмож-
возможность.
1. Какова концентрация ионов Н+ в 0,1 н. растворе NaOH?
Решая это уравнение относительно [Н + ], имеем
[Н + ]= ——— = Jj^ =Ю3М.
L J [ОН-] 0,1
2. Какова концентрация ионов ОН " в растворе, в котором концен-
концентрация ионов Н+ равна 0,00013 М?
Решая это уравнение относительно [ОН], имеем
771О
[ОН-]=
L J
0,00013
М
90
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
Таблица 4-2. Шкала рН
[Н + ], М
рН
[ОН - ], М рОН
1,0
0,1
0,01
0,001
10"
ю-5
10
ю-7
10~8
ю-'
ю-10
ю-11
ю-12
ю-13
ю-1*
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Ш-14
10 ~12
КГ11
1010
10"9
10"8
Ю
Ю
10 5
10"*
0,001
0,01
0,1
1,0
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
3,7) приблизительно в 10 000 раз больше,
чем в крови.
Иногда для количественной характери-
характеристики основности, т.е. концентрации ио-
ионов ОН ~ в растворе, используют вели-
величину рОН, определяемую выражением
рОН = log
1
[он-]
= -log[OH"],
которое аналогично выражению для рН.
Например, значение рОН раствора
с 0.1 М концентрацией ионов ОН - равно
единице, тогда как значение рОН раство-
раствора, в котором ионы ОН " присутствуют в
10 - 7 М концентрации, равно 7,0. Следует
запомнить, что величины рН и рОН свя-
связаны одна с другой очень простым
соотношением:
рН+рОН = 14.
В табл. 4-2 показана эта обратная зави-
зависимость между величинами рН и рОН.
Величину рН водного раствора можно
приблизительно оценить, используя раз-
различные индикаторные красители, такие,
как лакмус, фенолфталеин и фенилрот,
однако точные измерения рН в химиче-
химических и клинических лабораториях про-
производят при помощи специальных сте-
Ш NaOH
Отбеливающая
жидкость
Нашатырный спирт-
Питьевая сода
(NaHCOa)
Морская вода,
яичный белок"
Кровь человека, слезы—>
Молоко, слюна >
Черный кофе—
11иво
Томатный сок-
Красное вино —
Кока-кола
-12
-11
-10
9
8
7
6
-5
-4
О
-2
Увеличение
основности
Нейтральная
область
Увеличение
кислотности
Уксус -
Лимонный сок -
Желудочный сок
lMNaCI
Рис. 4-9. Величины рН некоторых жидкостей.
клянных электродов, которые обладают
избирательной чувствительностью по от-
отношению к ионам Н+, но нечувстви-
нечувствительны к ионам Na + , K+ и другим ка-
катионам. В приборе, называемом рН-ме-
тром, сигнал от этого электрода усили-
усиливается и сравнивается с сигналом, генери-
генерируемым раствором, который имеет точ-
точно известную величину рН.
Измерение рН является одной из на-
наиболее важных и часто используемых
в биохимии процедур, поскольку от рН
зависят очень многие существенные
структурные особенности и активность
биологических макромолекул, в частно-
частности каталитическая активность фермен-
ГЛ. 4. ВОДА
91
тов. Более того, измерения рН крови
и мочи-это рутинные процедуры, по-
постоянно используемые при диагностике
заболеваний. Например, у людей, стра-
страдающих тяжелой формой диабета, значе-
значение рН крови часто снижено по сравне-
сравнению с нормальной величиной рН 7,4.
Такое состояние называется ацидозом.
Наоборот, при некоторых других заболе-
заболеваниях величина рН у больных может
быть выше нормы-состояние, называе-
называемое алкалозом.
4.8. Свойства кислот
и оснований тесно связаны
со свойствами воды
Молекулы соляной, серной и азотной
кислот, называемых обычно сильными
кислотами, полностью ионизированы
в разбавленных водных растворах. Ана-
Аналогично молекулы сильных оснований
NaOH и КОН также полностью ионизи-
ионизированы.
В биологии мы чаще встречаемся со
слабыми кислотами и слабыми основания-
основаниями, которые при растворении в воде ио-
ионизируются не полностью. Примером
слабой кислоты может служить уксусная
кислота (СН3СООН), придающая уксусу
кислый вкус; в качестве примера слабого
основания можно привести аммиак
(NH3), водный раствор которого приме-
применяется для чистки различных предметов
домашнего обихода. Слабые кислоты
и основания-это обычные компоненты
биологических систем, играющие важ-
важную роль в метаболизме и его регуляции.
Поведение водных растворов слабых
кислот и оснований легче будет понять,
если дать сначала точные определения
некоторых терминов.
Кислоты можно определить как до-
доноры протонов, а основания как акцеп-
акцепторы протонов. Донор протона и со-
соответствующий ему акцептор протона
образуют сопряженную кислотно-основ-
кислотно-основную пару (табл. 4-3). Примером сопря-
сопряженной кислотно-основной пары могут
служить уксусная кислота (СН3СООН),
играющая роль донора протона, и аце-
ацетат-анион (СН3СОО " ), выполняющий
функцию акцептора протона; они свя-
Таблща 4-3. Некоторые сопряженные кис-
кислотно-основные пары. Каждая пара состоит
из донора и акцептора протонов
Донор протона
Акцептор протона
СН3СООН
СН3СОО
н2роГ
NH,
заны между собой следующей обрати-
обратимой реакцией:
сн3соон — н+ + сн3сосг
Донор про- Протон Акцептор
тона, сопря- протона,
женная кис- сопряженное
лота основание
Характерная особенность каждой кис-
кислоты состоит в том, что в водном раство-
растворе она стремится отщепить свой протон.
Чем сильнее кислота, тем сильнее выра-
выражена эта тенденция. Способность любой
кислоты НА отщеплять протон и обра-
образовывать сопряженное с ней основание
А ~ характеризуется константой равнове-
равновесия обратимой реакции
НА ^ Н+ + А",
равной
К' =
[НА] •
Константы равновесия таких реакций
чаще называются константами иониза-
ионизации , или константами диссоциации. Чис-
Численные значения констант диссоциации
некоторых кислот, часто обозначаемых
символом Ка (индекс «а» от англ. acid —
кислота), приведены в табл. 4-4. Обрати-
Обратите внимание, что все эти кислоты разли-
различаются по своей способности отдавать
протон. Для более сильных кислот, та-
таких, как муравьиная или молочная, ха-
характерны более высокие значения кон-
констант диссоциации, тогда как для более
слабых кислот, к которым относятся, на-
например, ион Н2РО4,- более низкие зна-
значения. Одна из наиболее слабых кислот,
приведенных в табл. 4-4,-ион NH4, обла-
92
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
Таблица 4-4. Константы диссоциации и вели-
величины рК' некоторых широко распростра-
распространенных кислот при 25°С
Кислота (донор
протона)
НСООН (мура-
(муравьиная кислота)
СН3СООН (уксус-
(уксусная кислота)
СН3СН2СООН
(пропионовая
кислота)
СН3СНОНСООН
(молочная кисло-
кислота)
Н3РО4 (фосфорная
кислота)
Н2РО~ (дигидро-
фосфат-ион)
HPOJ" (моногид-
рофосфат-ион)
Н2СО3 (угольная
кислота)
HCOJ (бикар-
(бикарбонат-ион)
NH+ (ион
аммония)
К', М
1,78 х
1,74 х
1,35 х
1,38 х
7,25 х
1,38 х
3,98 х
1,70 х
6,31 х
5,62 х
10"*
10
ю-5
10"л
10
10
103
10
ю-"
10-ю
рК'
3,75
4,76
4,87
3.86
2,14
6,86
12,4
3,77
10,2
9,25
дающий лишь весьма слабо выраженной
способностью отдавать протон, о чем
свидетельствует очень низкое значение
константы диссоциации. Сопряженное
основание этой кислоты, аммиак (NH3),
очень легко присоединяет протон.
В табл. 4-4 приведены величины рК',
определяемые уравнением
Символ р, так же как и в случае рН, озна-
означает «отрицательный логарифм». Чем
легче диссоциирует кислота, тем меньше
значение ее рК'. Как мы сейчас увидим,
определение величины рК' любой слабой
кислоты не представляет особого труда.
4.9. Слабые кислоты имеют
характерные кривые титрования
Для определения количества кислоты
в данном растворе используется титрова-
титрование. Эта процедура состоит в добавлении
раствора основания (обычно едкого нат-
натра, NaOH) точно известной концентра-
концентрации к отмеренному объему анализируе-
анализируемого раствора кислоты. Раствор основа-
основания добавляют маленькими порциями до
тех пор, пока кислота не будет точно ней-
нейтрализована; момент нейтрализации
устанавливают либо по изменению цвета
индикатора, либо при помощи рН-метра.
Исходя из объема добавленного раство-
раствора основания и его концентрации, можно
рассчитать концентрацию кислоты в ана-
анализируемом растворе.
Если при титровании слабой кислоты
тщательно измерять рН титруемого рас-
раствора после добавления каждой порции
раствора основания вплоть до достиже-
достижения точки нейтрализации, то можно не
только определить концентрацию кис-
кислоты, но и получить также важную до-
дополнительную информацию об анализи-
анализируемом растворе. График, характеризую-
характеризующий зависимость рН титруемого раство-
раствора от количества добавленного основа-
основания, называется кривой титрования. На
рис. 4-10 показана кривая титрования ук-
уксусной кислоты (типичной слабой кис-
кислоты). Проследим за ходом титрования
0,1 М раствора уксусной кислоты 0,1 М
раствором NaOH при 25°С, имея в виду,
что этот процесс включает два обра-
обратимых равновесия:
Н2О ?± Н + + ОН - , D)
НАс +± Н+ +¦ Ас", E)
которые характеризуются константами
равновесия, численно равными соответ-
соответственно
ч- 14
[НАс]
F)
G)
В начале титрования, до добавления
NaOH, уксусная кислота уже слегка
ионизирована, причем степень ее иониза-
ионизации можно вычислить из константы ио-
ионизации G). Попытаемся сделать это.
Для упрощения будем считать, что сте-
степень ионизации уксусной кислоты
чрезвычайно мала и потому концентра-
концентрация ее недиссоциированных молекул су-
ГЛ. 4. ВОДА
93
9
8
рН 7
о
Р
уксусной-
кислоты^
3
2
1
О
-|[СНрООН]=[СН3СОО"] \
' = 4,76
?—-jCHj
Буферная
зона
рНЗ,76
О 0,5 1,0
Число эквивалентов добавленной NaOH
Рис. 4-10. Кривая титрования уксусной кислоты
(подробности см. в тексте). После добавления ка-
каждой порции стандартного раствора NaOH
к титруемому раствору уксусной кислоты, изме-
измеряют величину рН смеси. Эту величину отклады-
откладывают по оси ординат, тогда как по оси абсцисс
откладывают долю общего количества NaOH,
требуемого для нейтрализации уксусной кис-
кислоты, т. е. для достижения рН х 7..Полученные
при этом точки позволяют построить кривую
титрования. В рамках указаны преобладающие
ионные формы уксусной кислоты при соответ-
соответствующих значениях рН. В средней точке кривой
титрования концентрации донора и акцептора
протонов равны. Величина рН в этой точке чис-
численно равна величине рК' уксусной кислоты.
Цветная зона представляет собой область, вну-
внутри которой система обладает буферными свой-
щественно не отличается от ее общей
концентрации, равной 0,1 М.
Когда мы добавляем порции раствора
NaOH к титруемому раствору уксусной
кислоты, ионы ОН ~ соединяются с ио-
ионами Н+ и образуют молекулы Н2О.
При этом концентрации ионов Н+ и
ОН ~ в растворе все время должны со-
соответствовать величине ионного про-
произведения воды Kw = [Н + ] [ОН ~ ] =
= 1-10~14. Но как только свободные
ионы Н + связываются с ионами ОН ~,
некоторая часть недиссоциированных
молекул НАс сразу же претерпевает
дальнейшую диссоциацию, так что вновь
устанавливается равновесие, характери-
характеризующееся константой диссоциации уксус-
уксусной кислоты G). Таким образом, по мере
добавления новых порций раствора
NaOH в процессе титрования, степень
ионизации НАс будет увеличиваться.
Следовательно, концентрация НАс в рас-
растворе постепенно уменьшается, а концен-
концентрация Ас ~ возрастает, так как равнове-
равновесия D) и E) на каждой стадии титрования
определяются константами равновесия
F) и G). В средней точке титрования
(рис. 4-10), точно соответствующей доба-
добавлению 0,5 эквивалентов NaOH, полови-
половина исходной уксусной кислоты находится
в диссоциированной форме и, значит,
концентрация донора протона [НАс]
становится равной концентрации акцеп-
акцептора протона [Ас ~ ]. В этой средней точ-
точке соблюдается очень важное соотноше-
соотношение: величина рН раствора, содержащего
равные молярные концентрации уксус-
уксусной кислоты и ацетат-иона, а именно рН
4,76, в точности равна величине рК' ук-
уксусной кислоты, в чем можно легко убе-
убедиться, если сравнить приведенные
в табл. 4-4 величины рК' с показан-
показанной на рис. 4-10 кривой титрования. Ско-
Скоро мы поймем смысл этого важного со-
соотношения, которое соблюдается для
всех слабых кислот.
94
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
По мере того как мы продолжаем про-
процесс титрования, добавляя новые порции
раствора NaOH, оставшиеся недиссоции-
рованными молекулы уксусной кислоты
постепенно превращаются в ацетат-ионы
(СН3СОО ~), тогда как ионы Н+ уда-
удаляются из раствора, соединяясь с ионами
ОН ~ в реакции образования воды.
В конце концов мы достигаем конечной
точки титрования (приблизительно при
рН 7,0), в которой все молекулы уксусной
кислоты оказываются лишенными про-
протонов, связавшихся с ионами ОН ~~ . В ре-
результате образуются Н2О и ацетат. На
протяжении всего процесса титрования
сосуществуют два взаимосвязанных рав-
равновесия D) и E), причем соотношение ме-
между концентрациями веществ, участвую-
участвующих в этих равновесиях, все время
соответствует численным значениям кон-
констант равновесия. Оба этих равновесия
обратимы и, будучи по своей природе
ионными, устанавливаются практически
мгновенно. Поэтому процедуру титрова-
титрования можно легко провести в обратном
Рис. 4-11. Сравнение кривых титрования трех
слабых кислот-уксусной кислоты, Н2РО^ и
NH1. В рамках указаны преобладающие формы
этих соединений при соответствующих значе-
значениях рН. Справа обозначены буферные зоны для
каждой системы. Сопряженные кислотно-ос-
кислотно-основные пары служат эффективными буферами
при тех значениях рН, при которых соединения,
играющие роль доноров протонов, ионизиро-
ионизированы на 25-75%.
14
13
12
11
10
9
8
рН 7
6
5
4
3
2
1
Буферные
зоны
-| lch3cooh J чснэсоо~ J
:|СН3СООН
Ацетат
1
0,5
Число эквивалентов ОН"
1,0
ГЛ. 4. ВОДА
95
направлении. Начиная от точки нейтра-
нейтрализации, мы можем добавлять к получен-
полученному раствору ионы Н +, оттитровывая
ацетат-ионы, и таким путем привести
раствор к исходному состоянию. После
внесения поправки на изменение объема
в ходе титрования мы получим точно та-
такую же кривую, которая показана на
рис. 4-10. В процессе обратного титрова-
титрования добавленные ионы Н + связываются
с ионами Ас", что приводит к обра-
образованию уксусной кислоты (НАс); по ме-
мере добавления ионов Н+ отношение
[Ас~]/[НАс] уменьшается до тех пор, по-
пока не достигнет исходного состояния, ко-
которое имело место перед началом титро-
титрования раствора уксусной кислоты раство-
раствором NaOH.
На рис. 4-11 сравниваются кривые ти-
титрования трех слабых кислот с сильно
различающимися константами диссоциа-
диссоциации, а именно уксусной кислоты (рК/ =
= 4,76), иона Н2РО4 (рК' = 6,86) и иона
аммония NHX (рК' = 9,25). Хотя кривые
титрования всех этих кислот имеют оди-
одинаковую форму, они располагаются на
разных уровнях вдоль оси рН просто по-
потому, что все три кислоты различаются
по своей силе. Уксусная кислота является
самой сильной из них и легче других от-
отдает свой протон иону ОН", так как
имеет самую большую константу иони-
ионизации К' и соответственно самую низкую
величину рК'. Уксусная кислота при рН
4,76 уже диссоциирована на 50%. Труднее
отщепляется протон от иона Н2РС>4 , ко-
который диссоциирован на 50% при рН
6,86. Ион NH4 -самая слабая из всех
трех кислот, его диссоциация на 50% про-
происходит только при рН 9,25.
Теперь мы подошли к наиболее важно-
важному пункту, касающемуся кривых титро-
титрования слабых кислот, характер этих
кривых свидетельствует о возможности
использования слабой кислоты и ее анио-
аниона в качестве буфера.
4.10. Буферы-это смеси
слабых кислот и сопряженных
с ними оснований
Буферы представляют собой водные
системы, способные препятствовать из-
изменению их рН при добавлении неболь-
небольших количеств кислоты (Н + ) или основа-
основания (ОН " ). Буферная система состоит из
слабой кислоты (донор протона) и сопря-
сопряженного с ней основания (акцептор про-
протона). Примером буферной системы мо-
может служить смесь уксусной кислоты
и ацетат-иона в равных концентрациях;
она образуется в растворе при достиже-
достижении средней точки кривой титрования,
показанной на рис. 4-10. Видно, что кри-
кривая титрования уксусной кислоты имеет
относительно прямой участок, распро-
распространяющийся примерно на одну едини-
единицу рН по обе стороны от средней точки,
которая соответствует рН 4,76. При уве-
увеличении концентрации ионов Н+ (или
ОН ~ ) в титруемом растворе на данном
участке происходит лишь небольшое из-
изменение величины рН. Этот относитель-
относительно плоский участок представляет собой
буферную область сопряженной кислот-
но-оснбвной пары уксусная кислота-
ацетат. В средней точке буферной обла-
области, где концентрация донора протона
(уксусной кислоты) точно равна концен-
концентрации сопряженного основания (ацета-
(ацетата), буферная емкость системы макси-
максимальна. Это означает, что увеличение
концентрации ионов Н + (или ОН ~ ) вы-
вызывает в этой точке минимальное изме-
изменение рН. Особенность этой точки кри-
кривой титрования уксусной кислоты со-
состоит также в том, что величина рН в ней
численно равна значению рК' уксусной
кислоты. Очень важно отметить, что ве-
величина рН ацетатной буферной системы
хотя и слабо, но все же изменяется при
добавлении небольшого количества ио-
ионов ОН ~ (или Н + ). Однако эти измене-
изменения очень малы по сравнению с теми из-
изменениями рН, которые имели бы место
при добавлении того же количества ио-
ионов ОН ~ (или Н + ) к чистой воде или
к раствору соли сильной кислоты и силь-
сильного основания, например NaCl, по-
поскольку ни вода, ни растворы таких солей
не обладают буферной емкостью.
Буферная емкость-это не результат
черной магии, а просто естественное
следствие равновесий двух обратимых
реакций, которые протекают в растворе,
содержащем донор протонов и сопря-
96
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
женный с ним акцептор протонов при ус-
условии, что оба они присутствуют в при-
приблизительно равных концентрациях. По-
Посмотрим, как работает буферная система,
используя для этого схему, приведенную
на рис. 4-12. Один из двух компонентов
он- н«<э
X
СН3СООН СН3СОО~
Рис. 4-12. Система уксусная кислота-ацетат
может действовать в качестве буфера, способно-
способного поглошать либо Н + -, либо ОН " -ионы вслед-
вследствие обратимой диссоциации уксусной кислоты
(см. текст).
такой системы-донор протона, или сла-
слабая кислота (НА), содержит резервные
связанные ионы Н +, которые могут выс-
высвобождаться, чтобы нейтрализовать до-
добавленные к системе ионы ОН ~ с обра-
образованием Н2О. Это происходит потому,
что равновесие на какой-то момент нару-
нарушается, и член [Н + ] [ОН " ] становится
больше 1-104. Нарушенное равнове-
равновесие быстро восстанавливается, так что
произведение [Н + ] [ОН ~ ] опять оказы-
оказывается равным 1-104 (при 25°С), что
сразу же приводит к снижению концен-
концентрации ионов Н + . Однако теперь отно-
отношение [Н + ] [ОН ~ ] становится меньше
величины К', и в результате происходит
дальнейшая диссоциация кислоты НА,
чтобы восстановить нарушенное равно-
равновесие. Аналогичным образом другой
компонент буферной системы, а именно
сопряженное основание-анион А~, спо-
способно связываться с добавленными к бу-
буферному раствору ионами Н + и превра-
превращаться в НА. И в этом случае обе
реакции ионизации регулируют друг дру-
друга и приходят в состояние равновесия.
Теперь мы можем понять, почему сопря-
сопряженная кислотно-основная пара способ-
способна препятствовать изменению рН рас-
раствора при добавлении к нему небольших
количеств основания или кислоты. Спо-
Способность раствора функционировать
в качестве буфера-это просто автомати-
автоматическое следствие протекающих в нем
двух обратимых реакций и установления
соответствующих равновесий, опреде-
определяемых константами равновесия этих ре-
реакций, Kw и К'. Если мы добавляем к бу-
буферному раствору ионы ОН "" (или Н + ),
то в результате возникает небольшое из-
изменение в соотношении относительных
концентраций слабой кислоты и ее анио-
аниона, а следовательно, и незначительное из-
изменение рН. Уменьшение концентрации
одного из компонентов буферной си-
системы при добавлении небольшого коли-
количества основания (или кислоты) точно
уравновешивается повышением концен-
концентрации другого компонента. Сумма ком-
компонентов буферной системы при этом не
изменяется, меняется лишь их соотноше-
соотношение.
Укажем еще на одну важную особен-
особенность буферных систем. Как следует из
сказанного выше, способность системы
уксусная кислота-ацетат функциониро-
функционировать в качестве эффективного буфера
вблизи рН 4,76-это автоматическое
следствие того факта, что величина рК'
уксусной кислоты равна 4,76. Очевидно,
что эта система не может служить буфе-
буфером при рН крови (около 7,4). Приве-
Приведенные на рис. 4-11 кривые титрования
показывают, что для каждой сопряжен-
сопряженной кислотно-основной пары характерна
своя область рН, в которой она может
служить эффективной буферной систе-
системой. Видно, что пара Н2РО4 — НРО| ~
имеет рК 6,86 и, следовательно, может
служить буферной системой в области
рН 6,86, тогда как пара NH4-NH3, для
которой величина рК' равна 9,25, ведет
себя как буфер вблизи рН 9,25. Из всех
этих сопряженных систем только пара
Н2РО4-НРО|" может быть использо-
использована в качестве эффективного буфера при
рН крови (рН 7,4).
Количественное соотношение между
величиной рН, способностью смеси сла-
слабой кислоты и сопряженного с ней осно-
основания функционировать в качестве бу-
буферной системы и величиной рК' этой
слабой кислоты может быть охарактери-
охарактеризовано уравнением Xендерсона Хассель-
баха. Это простое уравнение, которое
можно использовать при выборе буфер-
буферной системы, рассмотрено в дополнении
4-2.
ГЛ. 4. ВОДА 97
Дополнение 4-2. Уравнение Хендерсона-Хассельбаха
Кривые титрования уксусной кислоты, Н2РО4 и NH4 (см. рис. 4-11)
мало различаются по форме. Это позволяет предположить, что все они
отражают какую-то общую закономерность, характерную для процес-
процесса титрования слабых кислот. Так оно и есть на самом деле. Форма кри-
кривой титрования любой слабой кислоты описывается уравнением Хен-
дерсона-Хассельбаха, анализ которого помогает понять буферные
свойства крови и тканей в организмах млекопитающих (т. е. свойства,
обеспечивающие поддержание в них требуемых кислотно-основных
равновесий). Ниже приведен простой вывод этого уравнения и даны не-
несколько задач, которые можно решить с его помощью.
Уравнение Хендерсона-Хассельбаха-это по существу одна из форм
выражения константы диссоциации кислоты:
" [НА] '
Сначала мы решим это уравнение относительно [Н + ]:
„ [НА]
[Н + ] = К'
[А"]"
Теперь напишем выражение для отрицательных логарифмов членов,
стоящих слева и справа:
6 [А']'
Заменяя — lg К' на рН и — lg рК' на рК', получаем
Гтт ДП
Если поменять местами числитель и знаменатель в выражении
— lg [HА]/[А ~ ] (что приведет к изменению знака этого выражения),
то получится уравнение Хендерсона-Хассельбаха:
ГА" Л
pH = pX'+lg- J
[НА]'
В более общей форме это уравнение выглядит так:
[Акцептор протонов]
PH=pK'
[Донор протонов]
Уравнение Хендерсона Хассельбаха описывает кривые титрования
всех слабых кислот и позволяет вывести ряд важных количественных
соотношений. Из него можно понять, например, почему величина рК
слабой кислоты численно равна величине рН раствора этой кислоты
4 767
98 ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
в средней точке титрования. В этой точке [НА] = [А ~ ] и, следователь-
следовательно,
pH = pK' + lgl,O = pK' + O; РН = рК'.
Уравнение Хендерсона-Хассельбаха дает также возможность вычис-
вычислить величину рК' любой кислоты при данном рН (если известно отно-
отношение молярных концентраций донора и акцептора протонов), опреде-
определить величину рН сопряженной кислотно-основной пары при данном
молярном соотношении (если известна величина рК') и рассчитать со-
соотношение между молярными концентрациями донора и акцептора
протонов при любом значении рН (если известна величина рК' слабой
кислоты).
Ниже приведены конкретные примеры задач всех трех указанных ти-
типов вместе с их решениями.
1) Вычислите величину рК' молочной кислоты, если при концентрации
свободной молочной кислоты, равной 0,010 М, и концентрации лактат-
иона, равной 0,087 М, величина рН равна 4,80.
[Лактат]
J
[Молочная кислота]
[Лактат] 0,087
PX' = pH-lg —-i * =4,80-lg-!—- =
[Молочная кислота] 0,010
= 4,80 - lg 8,7 = 4,80 - 0,94 = 3,86.
2) Вычислите величину рН смеси, состоящей из 0,1 М раствора уксус-
уксусной кислоты и 0,2 М раствора ацетата натрия, если известно, что ве-
величина рК' уксусной кислоты равна 4,76.
РН = рК' + lg fv [АЦ6ТаТ] п = 4,76 + lg f- = 5,06.
[Уксусная кислота] 0,1
3) Рассчитайте, каким должно быть соотношение между концентра-
концентрациями ацетат-иона и уксусной кислоты в буферной системе при рН 5.30.
[Ацетат-ион]
PH=pK' + lg L J ¦
[Уксусная кислота]
[Ацетат-ион]
lg—-Ь ^-— = рН - рК' = 5,30 - 4,76 = 0,54;
[Уксусная кислота]
[Ацетат-ион]
= Антилогарифм 0,54 = 3,47
[Уксусная кислота]
4.11. Фосфат и бикарбонат-важные ЧИНУ РН> котоРая поддерживается с по-
биологические буферные системы мощ"° различных биологических сие-
тем. Однако первая линия защиты живых
У всех живых организмов внутрикле- организмов, препятствующая измене-
точные и внеклеточные жидкости обычно ниям их внутреннего рН, обеспечивается
имеют характерную и постоянную вели- буферными системами. Две наиболее
ГЛ. 4. ВОДА
99
важные буферные системы у млекопи-
млекопитающих-это фосфатная и бикарбонат-
ная системы. Фосфатная буферная систе-
система, играющая важную роль в поддержа-
поддержании рН внутриклеточной жидкости, пред-
представляет собой сопряженную кислотно-
основную пару, состоящую из иона
Н 2РО4 (донора протона) и иона НРО4
(акцептора протона).
н+
Донор
протона
HPO4
Акцептор
протона
Фосфатная буферная система работает
точно так же, как ацетатная, с той разни-
разницей, что она функционирует в другом ин-
интервале значений рН. Эта система обла-
обладает максимальной эффективностью
вблизи рН 6,86, поскольку величина рК'
ионов Н2РО4 равна 6,86 (см. табл. 4-4
и рис. 4-11). Фосфатная буферная пара
Н2РО4 — НРО?~ способна сопротив-
сопротивляться изменениям рН в интервале меж-
между 6,1 и 7,7 и может, следовательно, обес-
обеспечивать достаточную буферную емкость
внутриклеточной жидкости, величина рН
которой лежит в пределе 6,9-7,,4-
Главной буферной системой плазмы
крови служит бикарбонатная система,
представляющая собой сопряженную
кислотно-основную пару, состоящую из
молекулы угольной кислоты (Н2СО3),
выполняющей роль донора протона
и бикарбонат-иона (HCOj), выполняю-
выполняющего роль акцептора протона:
Н2СО3 +± Н+ + HCOJ
Эта система, которая имеет свою соб-
собственную константу равновесия
v, [Н + ][НСО3]
[Н2СО3] '
функционирует в качестве буфера так же,
как и другие сопряженные кислотно-ос-
кислотно-основные пары. Ее уникальная особенность
состоит, однако, в том, что один из ее
компонентов, а именно угольная кислота
(Н2СО3), образуется в результате взаи-
взаимодействия растворенной в воде (р) дву-
окиси углерода с водой в соответствии
с обратимой реакцией:
СО2(р) + Н2О «± Н2СО3,
константа равновесия которой равна
[Н2СО3]
К,' =
[СО2(р)] [Н2О]
Поскольку при нормальных условиях
двуокись углерода предсгавляет собой
газ, величина [СО2(р)], т.е. концентрация
растворенной СО2, определяется равно-
равновесием с СО2 газовой фазы (г):
СО2(г) ?± СО2(р),
характеризуемым константой равнове-
равновесия К3, равной
, = [СОд(рД
3 [СО2(г)] '
Величина рН бикарбонатной буферной
системы зависит от концентрации рас-
растворенных в ней компонентов Н2СО3 и
НСО3 , выполняющих роль донора и ак-
акцептора протонов. Поскольку, однако,
концентрация Н2СО3 в свою очередь за-
зависит от концентрации растворенной
СО2, а последняя-от парциального дав-
давления СО2 в газовой фазе, величина рН
бикарбонатного буфера, находящегося
в контакте с газовой фазой, в конечном
счете определяется концентрацией ионов
НСО3 в водной фазе и парциальным да-
давлением СО2 в газовой фазе (см. допол-
дополнение 4-3).
Бикарбонатная буферная система
функционирует как эффективный физио-
физиологический буфер вблизи рН 7,4, потому
что донор протона Н2СО3 в плазме кро-
крови находится в подвижном равновесии
с большим резервным объемом газооб-
газообразной СО 2 в воздушном пространстве
легких. В любых условиях, когда кровь
почему-либо вынуждена поглощать из-
избыток ионов ОН" и рН повышается, ко-
количество угольной кислоты (Н2СО3), час-
частично превратившейся в HCOJ в резуль-
результате взаимодействия с ионами ОН",
быстро восстанавливается за счет боль-
большого запаса газообразной СО2 в легких.
100
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
Дополнение 4-3. Как работает бикарбонатная система крови
Буферная система крови включает три взаимосвязанных обра-
обратимых равновесия между газообразной СО2 в легких и бикарбонат-ио-
бикарбонат-ионом (HCOj) в плазме крови (рис. 1). Когда ионы Н+ попадают в кровь
при ее протекании через сосуды тканей, их концентрация сразу же по-
повышается. Это приводит к тому, что равновесие реакции 3 (рис. 1) сме-
смещается и устанавливается новое равновесие, соответствующее более
Рис. I. Между СО2 в воздушном пространстве
легких и бикарбонатным буфером в плазме кро-
крови, протекающей через капилляры легких, уста-
устанавливается равновесие. Так как концентрация
растворенной СО2 может быть быстро отрегу-
отрегулирована путем изменений скорости дыхания,
бикарбонатная буферная система крови нахо-
находится почти в равновесии с обширным потен-
потенциальными резервуаром СО2.
Водная фаза
н + нсо:
нгсо3
Реакция 1
Реакция 2
высокой концентрации Н2СО3, что в свою очередь приводит к повы-
повышению концентрации СО2 (р) в крови. В результате давление СО2 в га-
газовой фазе легких тоже повышается и лишняя СО2 выдыхается. На-
Наоборот, когда в плазму крови поступает некоторое количество ионов
ОН", события происходят в обратной последовательности. Пониже-
Понижение концентрации ионов Н+ вызывает диссоциацию части молекул
Н2СО3 на ионы Н+ и HCOJ, а это в свою очередь приводит
к растворению в плазме крови некоторого дополнительного количе-
количества СО2 (г), содержащегося в легких. Таким образом, высокая интен-
интенсивность процесса дыхания, т.е. высокая скорость вдыхания воздуха
и выдыхания СО2, может обеспечить достаточно быстрые сдвиги этих
равновесий, что обусловливает сохранение постоянной величины рН
в крови.
СО2 (г) растворяется в крови, образуя
СО2 (р), которая вступает в реакцию с во-
водой, что приводит к образованию Н2СО3
(см. дополнение 4-3). И наоборот, когда
величина рН крови почему-либо умень-
уменьшается, некоторое количество НСО3 бу-
буферной системы связывается с избытком
ионов Н+ и образуется избыток Н2СО3.
Эта Н2СО3 распадается, выделяя раство-
растворенную СО2, которая в свою очередь
переходит в газовую фазу в легких и
в конце концов выдыхается организмом.
По мере того как кровь протекает через
многочисленные капиллярные сосуды
ГЛ.4. ВОДА
101
в легких, ее бикарбонатная буферная си-
система быстро приходит почти в равно-
равновесное состояние с СО2 в газовом про-
пространстве легких. Совместное функцио-
функционирование бикарбонатной буферной си-
системы и легких представляет собой очень
ответственный механизм, обеспечиваю-
обеспечивающий поддержание постоянной величины
рН крови.
Величина рН плазмы крови поддержи-
поддерживается на удивительно постоянном уров-
уровне. В норме плазма крови имеет рН,
близкий к 7.40. Нарушения механизмов,
регулирующих величину рН, наблюдаю-
наблюдающиеся, например, при тяжелых формах
диабета вследствие ацидоза, обусловлен-
обусловленного «перепроизводством» метаболиче-
метаболических кислот, вызывают падение рН крови
до величины 6,8 и ниже, что в свою оче-
очередь, может приводить к непоправимым
последствиям и смерти. При некоторых
других заболеваниях величина рН крови
иногда достигает столь высоких значе-
значений, что она уже не поддается нормали-
нормализации. Поскольку повышение концентра-
концентрации ионов Н+ всего лишь на 1,18 • 1СГ7 М
(приблизительная разница между кровью
при рН 7,4 и кровью при рН 6,8) может
оказаться опасным для жизни, возникает
вопрос: какие молекулярные механизмы
обеспечивают поддержание величины рН
в клетках со столь высокой точностью?
Величина рН влияет на многие струк-
структурные и функциональные свойства клет-
клетки, однако к изменениям рН особенно
чувствительна каталитическая актив-
активность ферментов. На рис. 4-13 приве-
приведены типичные кривые, характеризую-
характеризующие зависимость активности некоторых
ферментов от рН. Видно, что каждый из
этих ферментов проявляет максималь-
максимальную активность при определенном значе-
значении рН, которое называется оптимумом
рН. Отклонение величины рН в любую
сторону от этого оптимального значения
часто сопровождается резким падением
активности фермента. Таким образом,
небольшие сдвиги рН могут приводить
к значительным изменениям скорости не-
некоторых жизненно важных для организ-
организма ферментативных реакций, протекаю-
протекающих, например, в скелетных мышцах или
в мозгу. Биологический контроль, обес-
100
50
\
Пепсин — пищевари-
пищеварительный фермент,
содержащийся в же
лудочном соке
12345 6789 10
рН
100
Трипсин - пищева-
пищеварительный фермент,
действующий в тон-
тонком кишечнике
50
12345 6789 10
100
50
„ I I I I
Щелочная фосфатаза
костной ткани
12345 67 89 .0
рН
Рис. 4-13. Влияние рН на активность некоторых
ферментов. Каждый фермент имеет характер-
характерную для него кривую зависимости рН -актив-
-активность.
102
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
печивающий постоянство рН в клетках
и жидкостях организма, имеет, следова-
следовательно, исключительно важное значение
для всех аспектов метаболизма и клеточ-
клеточной активности.
4.12. Приспособленность
живых организмов к водной среде
Живые организмы успешно приспосо-
приспособились к водной среде и даже приобрели
способность использовать необычные
свойства воды. Благодаря высокой
удельной теплоемкости воды она дей-
действует в клетках как «тепловой буфер»,
позволяющий поддерживать в организме
относительно постоянную температуру
при колебаниях температуры воздуха.
Высокая теплота испарения воды исполь-
используется некоторыми позвоночными для
защиты организма от перегревания с по-
помощью механизма теплоотдачи путем
испарения пота. Сильно выраженное сце-
сцепление молекул в жидкой воде, обусло-
обусловленное влиянием межмолекулярных во-
водородных связей, обеспечивает эффек-
эффективный перенос в растениях раство-
растворенных питательных веществ от корней
к листьям в процессе транснирации. Да-
Даже то, что лед имеет более низкую плот-
плотность по сравнению с жидкой водой
и поэтому всплывает в ней, приводит
к важным биологическим последствиям
в жизненных циклах водных организмов.
Однако наиболее существенным для
живых организмов является тот факт,
что многие важные биологические свой-
свойства макромолекул, в частности белков
и нуклеиновых кислот, обусловлены их
взаимодействием с молекулами воды
в окружающей среде. Ниже мы увидим,
что специфические трехмерные струк-
структуры белков, определяющие их биологи-
биологическую активность, поддерживаются
Рнс. 4-14. Клоп-водомерка (семейство Gerridae)
использует высокое поверхностное натяжение
воды. Это насекомое, которое живет на поверх-
поверхности прудов, имеет специальные волоски на
своих первых и третьих парах ног, благодаря ко-
которым оно держится на поверхностном слое во-
воды, не продавливая его. Средняя пара ног, про-
проникающая через этот слой, действует как весла.
благодаря свойствам воды. От свойств
воды зависит даже такой важный про-
процесс, как репликация ДНК.
4.13. «Кислые» дожди
загрязняют наши озера и реки
Чистая вода, контактирующая с «нор-
«нормальным» воздухом, имеет рН около 5,6,
а не теоретическую величину рН 7. Это
связано с тем, что воздух содержит очень
небольшое количество газообразной
СО 2 (около 0,04°/, что соответствует пар-
парциальному давлению 0,3 мм рт. ст.). Ког-
Когда чистая вода, имеющая рН 7,0, прихо-
приходит в равновесие с СО2 воздуха, в ней
происходят обратимые реакции, в ходе
которых образуются ионы Н+ и НСО^"
(см. дополнение 4-3) и рН воды снижается
приблизительно до 5,6:
СО2(г) <=> СО2(Р)
СО2(р) + Н2О
н2со3
Н2СО3
н+ + нсо3-
За последние сто или более лет кислот-
кислотность осадков-дождей и снега в во-
восточной части США и Северной Европе
постепенно возросла в тридцать раз, что
привело к снижению рН воды в озерах
и реках этих областей примерно от 5,6 до
величин значительно ниже 5,0.
ГЛ.4. ВОДА
103
«Кислые» дожди возникают при взаи-
взаимодействии дождевой воды с содержа-
содержащимися в атмосфере двуокисью серы
и окислами азота, образующимися в ре-
результате сжигания угля и нефти, содер-
содержащих небольшие количества соедине-
соединений серы и азота. Таким образом,
дождевая вода превращается по суще-
существу в разбавленный раствор серной
и азотной кислот. Тепловые электростан-
электростанции и металлургические предприятия,
сжигающие уголь и нефть, обычно снаб-
снабжены высокими дымовыми трубами, че-
через которые продукты сгорания вы-
выбрасываются в атмосферу, чтобы исклю-
исключить загрязнение нижних слоев воздуха,
поэтому верхние слои атмосферы над
огромными областями земного шара
оказались загрязненными этими кисло-
кислотами, выпадающими на землю в виде
дождя. Иногда местные дожди могут
быть особенно кислыми: во время лив-
ливней в Шотландии в 1974 г. дождевая вода
имела рН 2,4 (более низкая величина, чем
рН уксуса!)
Вследствие «кислых» дождей вода во
многих озерах Скандинавских стран, во-
восточной части Канады, северной части
Новой Англии, а также в горах Адирон-
Адирондака и в Флориде стала настолько кис-
кислой, что рыба в этих озерах частично или
полностью погибла, так как многие виды
рыб не выносят кислотности ниже рН 5.
Более того, повышение кислотности во-
воды уже вызвало нарушение неустойчиво-
неустойчивого равновесия между животными и расте-
растениями в некоторых пресноводных эколо-
экологических системах. Поскольку в будущем
количество сжигаемого угля увеличится,
можно ожидать, что это приведет к еще
большей загрязненности запасов пресной
воды, если тепловые электростанции
и металлургические предприятия не бу-
будут снабжены эффективными установка-
установками, предотвращающими выброс загряз-
няюших веществ в атмосферу.
Краткое содержание главы
лоты испарения воды обусловлены
сильными межмолекулярными взаимо-
взаимодействиями, проявляющимися в форме
многочисленных водородных связей ме-
между соседними молекулами воды. Жид-
Жидкая вода состоит из короткоживущих
скоплений (кластеров) молекул, свя-
связанных друг с другом водородными
связями. Полярность воды и сильно вы-
выраженная способность ее молекул обра-
образовывать водородные связи делает воду
прекрасным растворителем для многих
ионных соединений и других веществ,
имеющих полярные молекулы. Вода
диспергирует также амфипатические ве-
вещества, например мыла, с образованием
агрегатов молекул, называемых мицел-
мицеллами, в которых гидрофобные группы
спрятаны внутри и не контактируют
с водой, тогда как заряженные группы
расположены на внешней поверхности.
Вода очень слабо диссоциирует, об-
образуя ионы Н+ и ОН". В разбавлен-
разбавленных водных растворах концентрации
ионов Н+ и ОН" связаны между со-
собой обратной зависимостью: Kw =
= [Н+][ОН ] = МО* (при 25°С).
Концентрацию ионов водорода в био-
биологических системах обычно выражают
в виде рН, величина которого численно
равна отрицательному логарифму кон-
концентрации ионов Н+ (рН = — lg[H+]).
Величину рН водных растворов изме-
измеряют при помощи стеклянных электро-
электродов, чувствительных к концентрации ио-
ионов Н + .
Кислоты можно определить как до-
доноры протонов, а основания-как акцеп-
акцепторы протонов. Сопряженная кислотно-
основная пара состоит из донора прото-
протона НА и соответствующего ему акцеп-
акцептора протона А". Способность кислоты
НА отдавать свой протон характери-
характеризуется ее константой диссоциации
К' =
[НА]
Вода- это самое распространенное со- или величиной рК', определяемой как
единение в живых организмах. Относи- —igK'. Величина рН водного раствора
тельно высокие значения температуры слабой кислоты количественно связана
замерзания, температуры кипения и теп- со значением ее рК' и с отношением
104
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
концентраций ее протонно-донорной
и протонно-акцепторной форм.
Сопряженная кислотно-основная пара
может функционировать в качестве бу-
фера, препятствующего изменениям рН
при добавлении к раствору щелочи или
кислоты; ее буферная емкость макси-
максимальна при значении рН, численно рав-
равном ее рК'. Наиболее важными в биоло-
биологическом отношении буферными пара-
парами являются Н2СО3-НСОз и
H2POJ-HPO4~. Каталитическая актив-
активность ферментов сильно зависит от рН.
ЛИТЕРАТУРА
Callewaert D.M., JenyeaJ. Basic Chemistry:
General, Organic, Biological, Worth, New
York, 1980. Полезно просмотреть как этот,
так и другие учебники общей химии.
Dick D. А. Т. Cell Water, Butterworths, Washi-
Washington, 1966. Свойства и функции воды
в живых организмах.
Eisenberg D., Kauzmann W. The Structure and
Properties of Water, Oxford University Press,
Fair Lawn, N.J., 1969. Трактовка физиче-
физической химии воды, рассчитанная на подго-
подготовленных читателей.
Likens G. ?., Wright R. F, Galloway J. N.,
Butler T.J. Acid Rain, Sci. Am, 241, 43-51,
October A979).
Montgomery R., Swenson C. A. Quantitative
Problems in Biochemical Sciences, 2d ed.,
Freeman, San Francisco, 1976.
Segel I. H. Biochemical Calculations, 2d ed.,
Wiley, New York, 1976.
Solomon A.K., The State of Water in Red Cells,
Sci, Am, 244, 88-96, February A971).
Статья, посвященная исследованию струк-
структуры воды в клетке.
О
СНз
Н2О
СНз—С—О—CH2—CH2—N—СНз"
СНз
концентрация этиленгликоля, которая бу-
будет достаточной для предотвращения за-
замерзания воды при — 18°С.
Имитация уксуса. Один из способов при-
приготовления уксуса (отнюдь не лучший)
состоит просто в том, что уксусную кис-
кислоту, единственный кислый компонент
уксуса, разводят водой до нужного рН
(см. табл. 4-4 и рис. 4-9) и добавляют со-
соответствующие приправы. Уксусная кис-
кислота при 25~С представляет собой жид-
жидкость с плотностью 1,049 г/мл. Рассчи-
Рассчитайте, какое количество уксусной кис-
кислоты нужно растворить в дистиллиро-
дистиллированной воде, чтобы получить 1 л раство-
раствора, имитирующего уксус.
Кислотность желудочной соляной кис-
кислоты. В клинических лабораториях для
определения кислотности желудочного
сока оттитровывают 10,0 мл желудочно-
желудочного сока, взятого через несколько часов
после еды, 0,1 н. раствором NaOH до ней-
нейтральной реакции. Допустим, что для
этого потребовалось 7,2 мл раствора
NaOH. Так как желудок к этому времени
уже не содержит непереваренной пищи
или напитков, никаких буферов в нем
нет. Какова величина рН желудочного
сока?
Измерение содержания ацетилхолина по
изменению рН. Концентрацию нейроме-
диатора ацетилхолина можно определить
по изменению рН, сопровождающему
гидролиз ацетилхолина. При инкубации
ацетилхолина с каталитическими количе-
количествами фермента ацетилхолинэстеразы
он количественно превращается в холин
и уксусную кислоту, которая диссоции-
диссоциирует с образованием ацетат-иона и иона
водорода:
СН3
НО—СН2—CHj-^N—СНз + СН3—С—О" + Н'
Ацетилхолин
Вопросы и задачи
1. Автомобильный антифриз. В качестве ве-
вещества, понижающего температуру за-
замерзания воды в радиаторе автомобиля,
обычно используется зтиленгликоль-
спирт, содержащий две гидроксильные
группы (СН2ОН—СН2ОН). Рассчитайте,
какова должна быть приблизительная
Холин
О
Ацетат
Согласно данным анализа, водный рас-
раствор, содержащий неизвестное количе-
количество ацетилхолина объемом 15 мл, имел
рН 7,65. После инкубации с ацетилхолин-
эстеразой рН раствора снизился до 6,87.
Сколько молей ацетилхолина содержа-
содержалось в 15 мл исходного раствора, если
считать, что в анализируемой смеси от-
отсутствовали буферы?
ГЛ. 4. ВОДА
105
5. Смысл величины рК' кислоты. Согласно
одному из наиболее широко распростра-
распространенных определений рК', эта величина
есть не что иное, как рН, при котором
кислота ионизирована на 50%, т.е. пред-
представляет собой смесь недиссоцииро-
ванных молекул кислоты и сопряженного
с ней основания в соотношении 50 :50.
Докажите, что это правильно, исходя из
выражения для константы равновесия.
6. Свойства буфера. Аминокислота глицин
часто используется в биохимической
практике в качестве главной составной
части буферного раствора. Аминогруппа
глицина, имеющая рК' 9,3, может суще-
существовать либо в протонированной форме
(—NHj ), либо в виде свободного основа-
основания (—NH2), которые находятся между
собой в равновесии:
Задача 7
—NH3
—NH2 + Н + .
а) В каком интервале рН глицин мо-
может быть использован в качестве эф-
эффективного буфера за счет его амино-
аминогруппы?
б) Какова доля молекул глицина,
имеющих в 0,1 М растворе при рН 9,0
аминогруппу в протонированной фор-
форме (—NH + )?
в) Какой объем 5 М раствора КОН
нужно добавить к 1,0 л 0,1 М раствора
глицина (рН 9,0), чтобы величина рН
смеси была равна точно 10,0?
г) Каково должно быть численное со-
соотношение между величинами рН рас-
раствора и рК' аминогруппы глицина,
чтобы у 99% молекул глицина амино-
аминогруппа находилась в протонированной
форме?
о
Бензойная кислота
рК'~5
нерастворима в воде
Бенэоат-ион
(заряженный)
растворим в воде
7. Зависимость растворимости от рН.
Сильно выраженная полярность воды
и ее способность легко образовывать во-
водородные связи делает ее прекрасным
растворителем для веществ ионной при-
природы. Вместе с тем эта особенность воды
обусловливает плохую растворимость
в ней неионизируемых неполярных орга-
органических вешеств. таких, как бензол.
В принципе растворимость всех органи-
органических кислот и оснований в воде можно
повысить путем соответственно депрото-
нирования и протонирования, что приво-
приводит в обоих случаях к образованию заря-
заряженных частиц. Например, бензойная
кислота плохо растворима в воде, однако
добавление бикарбоната натрия вызы-
вызывает повышение рН раствора и депрото-
нирование молекул бензойной кислоты
с образованием бензоат-ионов, которые
хорошо растворимы в воде. Какой из
растворов-0,1 М NaOH или 0,1 М
НС1 нужно добавить к воде, чтобы по-
повысить растворимость веществ А, Б, В?
а)
I
Пиридиний-ион
рК' ~ 5
б)
р-Нафтол
рК'~~ 10
А
О О—СНз
Метиловый эфир N-ацетилтирозина
рК' ~ 10
106
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
8. Лечение сыпи, возникающей на коже при
соприкосновении с растением сумахом.
Содержащиеся в тканях сумаха про-
производные пирокатехола с длинными це-
цепями алкильных групп вызывают харак-
характерную зудящую сыпь.
(СН2)„—СН3
рК' = 8
Если вы случайно дотронулись до сума-
сумаха, то какой способ обработки поражен-
пораженного участка кожи из перечисленных ни-
ниже вы изберете и почему?
(а) Промывание поверхности кожи хо-
холодной водой.
(б) Промывание поверхности кожи раз-
разбавленным уксусом или лимонным
соком.
(в) Промывание поверхности кожи мы-
мылом и водой.
(г) Промывание поверхности кожи мы-
мылом, водой и пищевой (питьевой) со-
содой (бикарбонатом натрия).
Величина рН и всасывание лекарственных
веществ. Широко используемый лекар-
ственный препарат аспирин представляет
собой слабую кислоту с рК' = 3,5
рК' 3,5
Аспирин всасывается в кровь человека
через клетки слизистой желудка и тонко-
тонкого кишечника. Для того чтобы вещество
всасывалось, оно должно легко прохо-
проходить через клеточные мембраны. Воз-
Возможность прохождения вещества через
клеточную мембрану определяется по-
полярностью его молекул: ионизированные
(заряженные) и сильно полярные моле-
молекулы проходят медленно, тогда как ней-
нейтральные гидрофобные молекулы про-
проходят сквозь мембраны быстро. Где
аспирин легче всасывается в кровяной
поток-в желудке или в тонком кишечни-
кишечнике, если величина рН желудочного сока
в желудке близка к 1, а в тонком кишеч-
кишечнике к 6? Дайте четкое обоснование свое-
своего выбора.
10. Приготовление стандартного буфера для
калибровки рН-метра. Стеклянный элек-
электрод, используемый в имеющихся в про-
продаже рН-метрах, дает электрический сиг-
сигнал, величина которого пропорциональна
концентрации ионов водорода. Для того
чтобы по величине сигнала можно было
правильно судить о величине рН, не-
необходимо провести калибровку стеклян-
стеклянного электрода, используя для этого
стандартные растворы с известной кон-
концентрацией ионов водорода. Определи-
Определите, какие количества (в граммах) пер-
первичного кислого фосфата натрия
(NaH2PO4H2O; мол. масса 138,01)
и вторичною кислого фосфата натрия
(Na2HPO4; мол. масса 141,98) необхо-
необходимы для приготовления 1 л стандартно-
стандартного буфера с рН 7,00, в котором суммар-
суммарная концентрация фосфатов равна
0,100 М. (Мол. масса смеси фосфатов бу-
будет зависеть от их соотношения). Вели-
Величина рК' первичного кислого фосфата при
25' С равна 6,86.
11. Контроль рИ крови путем изменения ин-
интенсивности дыхания.
а) Парциальное давление СО2 в легких
может быстро меняться в зависимости
от интенсивности и глубины дыхания.
Известно, чго для избавления от икоты
необходимо повысить концентрацию
СО2 в легких. Этого можно добиться,
если частично задержать дыхание, мед-
медленно и неглубоко вдыхая воздух (ги-
повентиляция), или вдыхать и выды-
выдыхать воздух, прижав к лицу бумажный
пакет В этих условиях парциальное да-
давление СО2 в воздушном пространстве
легких превысит нормальное. Объясни-
Объясните, почему эти процедуры влияют на
рН крови.
б) Бегуны на короткие дистанции непос-
непосредственно перед стартом обычно ин-
интенсивно и глубоко дышат (гипервен-
(гипервентиляция) примерно в течение 1,2 мин
для удаления СО2 из легких. Величина
рН крови может подскочить при этом
до 7,60. Объясните, почему рН крови
повышается в этих условиях.
в) Во время бега на короткую дистан-
дистанцию мышцы производят большое ко-
количество молочной кислоты из запасов
глюкозы. Исходя из этого факта,
объясните, почему перед стреми-
стремительным бегом полезна гипервентиля-
гипервентиляция?
ГЛАВА 5
АМИНОКИСЛОТЫ И ПЕПТИДЫ
В количественном отношении белки
занимают первое место среди всех со-
содержащихся в живой клетке макромоле-
макромолекул; на их долю приходится не менее
половины сухого веса клетки. Белки
присутствуют во всех клетках, причем
их можно найти в любой части клетки.
Велико также и разнообразие белков;
в одной клетке'можно обнаружить сот-
сотни различных видов этих макромолекул.
Белки выполняют многообразные био-
биологические функции, поскольку они слу-
служат молекулярными инструментами,
с помощью которых генетическая ин-
информация находит свое реальное вопло-
воплощение. Поэтому изучение биологических
макромолекул разумно начать именно
с белков, или протеинов. (Это название
происходит от латинского слова, озна-
означающего «первый» или «главный».)
Ключ к пониманию структуры любо-
любого из всех этих тысяч различных белков
дает небольшая группа довольно про-
простых молекул, играющих роль строи-
строительных блоков. Для построения всех
белков, будь то белки из самых древних
линий бактерий или из высших организ-
организмов, используется один и тот же набор
из 20 различных аминокислот, ковалент-
но связанных друг с другом в опреде-
определенной, характерной только для данно-
данного белка последовательности. Каждая
аминокислота благодаря специфическим
особенностям ее боковой цепи наделена
химической индивидуальностью, поэто-
поэтому всю эту группу из 20 аминокислот
можно рассматривать как алфавит
«языка» белковой структуры.
В этой главе мы уделим внимание
также и пептидам - коротким цепям, со-
состоящим из двух или более аминокис-
аминокислот, соединенных ковалентными связя-
связями. Поистине замечательное свойство
клеток-это их способность соединять
20 аминокислот в различных комбина-
комбинациях и последовательностях, в результа-
результате чего образуются пептиды и белки,
обладающие совершенно разными свой-
свойствами и биологической активностью.
Из одних и тех же строительных блоков
разные организмы способны вырабаты-
вырабатывать такие разнообразные продукты,
как ферменты, гормоны, белок хруста-
хрусталика глаза, перья, паутина, панцырь че-
черепахи (рис. 5-1). белки молока, энкефа-
лины (наркотики, вырабатываемые са-
самим организмом), антибиотики, ядо-
ядовитые вещества грибов и многие другие
соединения, наделенные специфической
биологической активностью.
Рис. 5-1. Белок кератин синтезируется у всех по-
позвоночных. Он служит главным структурным
компонентом волос, чешуи, рогов, шерсти, ног-
ногтей и перьев. Кератнн как главный компонент
входит также в состав плотного папцыря черепа-
черепахи
108
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
5.1. Общие структурные
свойства аминокислот
При кипячении белков в присутствии
сильных кислот и щелочей ковалентные
связи между аминокислотами, из ко-
которых построены белковые цепи, разры-
разрываются. Образующиеся при этом сво-
свободные аминокислоты представляют со-
собой сравнительно небольшие молекулы
с известной структурой. Первая амино-
аминокислота, аспарагин, была открыта
в 1806 г. Последним из 20 обнару-
обнаруженных в белках аминокислот оказался
треонин, который удалось идентифици-
идентифицировать лишь в 1938 г. Каждая амино-
аминокислота имеет тривиальное (традицион-
(традиционное) название, происходящее иногда от
источника, из которого аминокислота
была впервые выделена. Например, ас-
аспарагин, как нетрудно догадаться,
впервые обнаружили в аспарагусе, а глу-
таминовую кислоту-в клейковине (по-
английски «gluten») пшеницы; глицин
был назван так за его сладкий вкус (от
греч. «glykos»- сладкий).
Все 20 аминокислот, встречающиеся
в белках, характеризуются общей струк-
структурной особенностью-наличием кар-
карбоксильной группы и аминогруппы, свя-
связанных с одним и тем же атомом
углерода (рис. 5-2). Различаются же
аминокислоты только боковыми цепями
(R-группами), которые у разных амино-
аминокислот неодинаковы по структуре, элек-
электрическому заряду и растворимости
СООН
H2N—С—Н
Рис. 5-2. Общая структурная формула амино-
аминокислот (в неионной форме), входящих в состав
белков. Часть структуры, показанная черным
цветом, одинакова у всех а-аминокислот (кроме
пролина). Буквой R, выделенной красным цве-
цветом, обозначена боковая цепь (R-rpynna). Ка-
Каждая аминокислота имеет свою, характерную
для нее R-rpynny. Во всех аминокислотах, за ис-
исключением глицина, а-атом углерода связан
с четырьмя различными замещающими группа-
группами и, следовательно, является асимметрическим,
или хиральным, атомом углерода.
Таблица 5.1. Сокращенные обозначения ами-
аминокислот
Аминокислота
Алании
Аргинин
Аспарагин
Аспарагиновая
кислота
В алии
Гистидин
Глицин
Глутамин
Глутаминовая
кислота
Изолейцин
Лейцин
Лизин
Метионин
Пролин
Серии
Тирозин
Треонин
Триптофан
Фенил ал анин
Цистеин
Трехбуквен-
Трехбуквенное сокра-
сокращенное
обозначение
Ala
Arg
Asn
Asp
Val
His
Gly
Gin
Glu
lie
Leu
Lys
Met
Pro
Ser
Tyr
Thr
Trp
Phe
Cys
Однобук-
венное
обозна-
обозначение
A
R
N
D
V
H
G
Q
E
I
L
К
M
P
s
Y
T
w
F
С
в воде. 20 аминокислот, входящие в со-
состав белков, часто называют стан-
стандартными, основными или нормальными
аминокислотами, чтобы .отличить их от
других аминокислот, присутствующих
в живых организмах, но не встречаю-
встречающихся в белках. Стандартные аминокис-
аминокислоты имеют трехбуквенные и однобук-
венные условные обозначения
(табл. 5-1), которыми пользуются для
сокращенной записи аминокислотного
состава и последовательностей амино-
аминокислот в полипептидных цепях.
5.2. Почти все аминокислоты
содержат асимметрический
атом углерода
Как следует из рис. 5-2, все стан-
стандартные аминокислоты, кроме одной,
содержат в ос-положении асимметриче-
асимметрический атом углерода, с которым связаны
ГЛ. 5. АМИНОКИСЛОТЫ И ПЕПТИДЫ
109
четыре разные замещающие группы:
карбоксильная группа, аминогруппа, R-
группа и атом водорода. Таким обра-
образом, асимметрический ос-атом углерода
является хиральным центром (разд. 3.5).
Как мы знаем, соединения с хиральным
центром встречаются в двух разных
изомерных формах, у которых одина-
одинаковы все химические и физические свой-
свойства, за исключением одного-направле-
одного-направления вращения плоскости поляризации
проходящего через них плоскополяризо-
ванного света; угол поворота плоскости
поляризации измеряют при помощи по-
поляриметра (разд. 3.5). Если не считать
глицина, не имеющего асимметрическо-
асимметрического атома углерода (рис. 5-3), все
СООН
H2N—С—Н
I
Н
Рис. 5-3. Глицин, единственная аминокислота,
у которой нет асимметрического атома углеро-
углерода. R-группа, представляющая собой атом водо-
водорода, выделена красным цветом.
остальные 19 аминокислот, образую-
образующиеся при гидролизе белков в достаточ-
достаточно мягких условиях, обладают оптиче-
оптической активностью, т.е. способны вра-
вращать плоскость поляризации света
в том или ином направлении. Благодаря
тому что в аминокислотах валентные
связи вокруг ос-атома углерода имеют
тетраэдрическое расположение, четыре
различные замещающие группы могут
располагаться в пространстве двумя
разными способами, так что молекула
Рис. 5-4. А. Два оптических изомера аланина.
Карбоксильные группы, представляющие собой
точки отсчета, расположены на конце связи, иду-
идущей от хирального центра по вертикали. Струк-
Структуры L- и D-аланина-это несовмещающиеся
зеркальные отражения друг друга. Б и В. Два
разных способа изображения пространственной
конфигурации оптических изомеров. В перспек-
перспективных формулах связи, выступающие над пло-
плоскостью рисунка, изображаются в виде клиньев,
а связи, уходящие за плоскость рисунка, обозна-
обозначаются пунктиром. В проекционных формулах
предполагается, что горизонтальные связи вы-
выступают над плоскостью рисунка, а верти-
вертикальные-уходят за его плоскость. Правда, про-
проекционным формулам далеко не всегда придают
строгий смысл и пользуются ими вне всякой свя-
связи со стереохимической конфигурацией моле-
молекулы.
СООН
СООН
""
н
L-аланин
¦NH,
н
D-аланин
Перспективные формулы
Проекционные формулы
СООН
СНз
L-аланин
СООН
Н —C^NH2
СН;)
D-аланин
Б
СООН
|
H2N—С—Н
СН3
L-аланин
Н
В
СООН
—С—NH2
СН3
D-аланин
no
ЧАСТЬ I БИОМОЛЕКУЛЫ
может существовать в двух конфигура-
конфигурациях, представляющих собой несовме-
несовместимые зеркальные отображения друг
друга (рис. 5-4). Эти две формы моле-
молекулы называются оптическими изомера-
изомерами, энантиометрами или стереоизоме-
рами. Раствор одного стереоизомера
данной аминокислоты вращает пло-
плоскость поляризации света влево (против
часовой стрелки); такой стереоизомер
называется лееовращающим изомером
[перед его названием ставят знак ( — )].
Другой стереоизомер поворачивает пло-
плоскость поляризации света точно на та-
такой же угол, но вправо (по часовой
стрелке) и называется правовращающим
изомером [в этом случае впереди ставят
знак (+)]. Эквимолярная смесь (+)- и
(— )-форм не способна вращать пло-
плоскость поляризации света. Поскольку
все аминокислоты (за исключением
глицина), выделенные из белков в мяг-
мягких условиях, вращают плоскость поля-
поляризации света, ясно, что в составе бел-
белковых молекул они присутствуют толь-
только в какой-либо одной стереоизомерной
форме.
Оптическая активность стереоизомера
количественно выражается величиной
удельного вращения, которую можно
определить, измерив угол поворота пло-
плоскости поляризации при прохождении
Таблица 5-2. Удельное вращение некоторых
аминокислот, выделенных из белков
Все эти аминокислоты имеют L-конфигура-
цию, но одни ич них правовращающие,
а другие левовращающис.
Аминокислота
Удельное
вращение,
L-аланин
L-аргинин
L-гистидин
L-глутаминовая кислота
L-изолейцин
L-лизин
L-пролин
L-серин
L-треонин
L-фенилаланин
+ 1,8
+ 12,5
- 38,5
+ 12,0
+ 12,4
+ 13,5
-86,2
-7,5
-28.5
-34,5
света через раствор чистого стереоизо-
стереоизомера с известной концентрацией в кюве-
кювете поляриметра при заданной длине пу-
пути света в растворе:
И D С =
Угол вращения плоскости
поляризации, град
(Длина пути света, дм) х
(Концентрация, г/мл)
Длину оптического пути выражают в де-
дециметрах и обязательно указывают тем-
температуру и длину волны используемого
света (обычно это D-линия в спектре
натрия, X = 589 нм). В табл. 5-2 приведе-
приведены значения удельного вращения для не-
нескольких аминокислот; обратите внима-
внимание, что среди них есть как левовращаю-
щие. так и правовращающие.
5.3. Стереоизомеры
обозначаются в соответствии
с их абсолютной конфигурацией
В основе более строгой системы клас-
классификации и обозначения стереоизоме-
ров лежит не вращение плоскости поля-
поляризации света, а абсолютная конфигура-
конфигурация молекулы стереоизомера, т.е.
взаимное расположение четырех заме-
замещающих групп, находящихся в верши-
вершинах тетраэдра, вокруг локализованного
в центре асимметрического атома угле-
углерода. Для выяснения конфигурации оп-
оптически активных соединений их сравни-
сравнивают с каким-то одним соединением,
выбранным в качестве эталона. Таким
соединением служит трехуглеродный са-
сахар глицеральдегид (рис. 5-5), простей-
щий из Сахаров, содержащих асимме-
асимметрический атом углерода (структура
Сахаров будет рассмотрена в гл. 11).
Два возможных стереоизомера глице-
ральдешда принято обозначать буква-
буквами L и D. Абсолютные конфигурации
этих сгереоизомеров, установленные ме-
методом рентгеноструктурного анализа,
показаны на рис. 5-5. Непосредственно
под изображением стереоизомеров гли-
церальдегида приведены конфигурации
соответствующих стереоизомеров ами-
аминокислоты аланина. Для сравнения кон-
конфигураций этих стереоизомеров в каче-
качестве маркера используют наиболее
ГЛ. 5. АМИНОКИСЛОТЫ И ПЕПТИДЫ
111
СНО
СН,ОН
L-глицерапьдегид
соон
—H
СН3
L-аланин
СНО
СН,ОН
D-глицерадьдегид
СООН
— NH2
СН3
D-аланин
Рис. 5-5. Стерическое соответствие между
структурой энантиомеров аланина и абсолют-
абсолютной конфигурацией L- и D-глицеральдегнда.
сильно окисленный атом углерода, свя-
связанный с асимметрическим атомом
углерода. Таким атомом в молекуле L-
аланина служит углерод карбоксильной
группы, а в молекуле L-глицеральдеги-
L-глицеральдегида-углерод альдегидной группы. Если
эти два атома расположить в простран-
пространстве одинаковым образом, то, как видно
из рис. 5-5, аминогруппа L-аланина бу-
будет соответствовать гидроксильной
группе L-глицеральдегида, а метильная
группа (R-rpynna) L-аланина СН2ОН-
группе L-глицеральдегида. Такое же со-
соответствие в абсолютной конфигурации
замещающих групп наблюдается и для
D-стереоизомеров аланина и глицераль-
дегила. Стереоизомеры всех хиральных
соединений, соответствующие по конфи-
конфигурации L-глицеральдегиду, обозначают-
обозначаются букет L, а стереоизомеры, соответст-
соответствующие В-глицеральдегиду,-буквой D, не-
независимо от направления вращения плос-
плоскости поляризации плоскополяризованно-
го света. Таким образом, буквы L и D от-
относятся к абсолютной конфигурации че-
четырех замещающих групп при хираль-
ном атоме углерода, а не к направле-
направлению вращения плоскости поляризации.
В табл. 5-2 приведены величины удель-
удельного вращения некоторых L-аминокис-
лот.
Если соединение содержит два или
более хиральных центров, оно может
иметь 2" стереоизомеров, где и-число
хиральных центров. Глицин не содер-
содержит асимметрического атома углерода
(см. 5-3), и поэтому у него нет стереои-
стереоизомеров. Все другие аминокислоты,
обычно встречающиеся в белках, содер-
содержат по одному асимметрическому ато-
атому углерода. Исключение составляют
треонин и изолейцин, каждый из ко-
которых имеет по два таких атома и 2" =
= 22 = 4 стереоизомера. Однако в со-
состав белков входит только по одному
из этих четырех возможных изомеров
той и другой аминокислоты.
Для соединений, содержащих два или
более хиральных центров, приведенная
выше система обозначения стереоизоме-
стереоизомеров связана с определенными трудно-
трудностями и иногда оказывается неодноз-
неоднозначной. Поэтому для таких соединений
все чаще используется новая система
обозначения стереоизомеров-так назы-
называемая RS-система (см. дополнение 5-1).
Дополнение 5-1. RS-система обозначения оптических изомеров
Если соединение содержит два или более хиральных центров,
обозначение изомеров на основе DL-системы может оказаться неод-
неоднозначным. Чтобы избежать той или иной неопределенности при
обозначении оптических изомеров, была предложена так называемая
RS-система. Рассмотрим конкретный пример, чтобы понять, как нуж-
нужно пользоваться этой системой. Прежде всего следует внимательно
рассмотреть четыре замещающие группы при каждом асимметриче-
асимметрическом атоме углерода и расположить их в порядке уменьшения
атомных номеров или в порядке понижения «плотности валентно-
валентности», так чтобы группа, оказавшаяся последней в этом ряду (имею-
(имеющая наименьший приоритет), была направлена в противоположную
112 ЧАСТЬ I. БИОМОЛЕКУЛЫ
от наблюдателя сторону. Наблюдатель как бы смотрит вниз на ру-
рулевое колесо с тремя спицами, причем связь между асимметрическим
атомом углерода и замещающей группой с наименьшим приорите-
приоритетом представляет собой рулевую колонку. Если остальные группы
располагаются при этом в порядке уменьшения приоритета по часо-
часовой стрелке, то конфигурация молекулы относительно рассматривае-
рассматриваемого хирального центра обозначается буквой R (от лат. rectus-
правый); если же они располагаются против часовой стрелки, то кон-
конфигурация обозначается буквой S (sinister-левый). Таким способом
определяются обозначения для всех хиральных центров.
Некоторые часто встречающиеся в биомолекулах функциональные
группы располагаются в порядке уменьшения их приоритета следую-
следующим образом:
SH > OR > ОН > NHCOR > NH2 > СООН > СНО >
> СН2ОН > С6Н5 > СН3 > Н.
Конфигурации большинства аминокислот, обнаруживаемых в бел-
белках, однозначно устанавливаются с помощью DL-системы; однако
треонин и изолейцин представляют особый случай, так как каждый
из них содержит два асимметрических атома углерода и для них воз-
возможно существование четырех B2) стереоизомеров. В этих изомерах
конфигурация замещающих групп относительно каждого хирального
центра была установлена путем сравнения их с L- и D-формами гли-
церальдегида, и изомеры получили соответствующие обозначения
(приставка «алло» означает по-гречески «другой»).
СООН СООН
H2N—С—Н
Н—С—ОН
|
СН3
L-треонин
СООН
Н—С—NH2
но—с—н
СН3
D-треонин
H2N—С—Н
но—с—н
СН3
L-алло- треонин
СООН
Н—С—NH2
н—с—он
1
сн3
D-а-Мо-треонин
Буквы L и D в обозначениях аминокислот относятся к а-атому угле-
углерода (т.е. к углероду во втором положении). Приставка алло отно-
относится к конфигурации замещающих групп при атоме углерода
в третьем положении. Изомеры соединений, имеющих два хи-
хиральных центра, называются диастереоизомерами.
Рассмотрим теперь, как L-треонин, нормальный изомер, встречаю-
встречающийся в белках, обозначается с помощью RS-системы. Начнем с ато-
ГЛ. 5. АМИНОКИСЛОТЫ И ПЕПТИДЫ 113
ма углерода во втором положении. Если расположить его четыре за-
замещающие группы в порядке уменьшения атомных номеров или
«плотности валентности» атомов, связанных с углеродом-2, то полу-
получим следующий ряд: — NH2, —СООН, —СНОНСН3, —Н. Если те-
теперь представить себе молекулу L-треонина как рулевое колесо, у ко-
которого рулевой колонкой служит связь между углеродом-2 и атомом
водорода, направленная вниз за плоскость рисунка, то остальные три
группы расположатся следующим образом:
нооо ^снон
сн3
Видно, что направление, в котором происходит уменьшение приори-
приоритета (показано стрелками) замещающих групп, соответствует пово-
повороту против часовой стрелки. Следовательно, углерод-2 имеет кон-
конфигурацию S. Такую же стерическую диаграмму можно нарисовать
и для атома углерода-3, причем связь между этим атомом углерода
и атомом водорода (группой с наименьшим приоритетом) должна
быть направлена за плоскость рисунка:
В этом случае все остальные замещающие группы расположатся
в порядке уменьшения приоритета по часовой стрелке, т.е. мы полу-
получим конфигурацию R. Следовательно, в рамках RS-системы L-трео-
нин обозначается как BS, ЗК)-треонин.
Традиционные обозначения изомеров треонина как L-, D-, L-алло-
и D-олло-изомеры известны нам уже в течение многих лет и настоль-
настолько вошли в привычку, что их продолжают использовать и теперь. То
же справедливо и в отношении названий и стереообозначений про-
простых Сахаров (гл. 11). Вместе с тем RS-система представляет собой
однозначный способ обозначения оптических изомеров соединений,
которые либо нельзя сопоставить с изомерами глицеральдегида, ли-
либо невозможно однозначно охарактеризовать в рамках DL-системы.
Это часто имеет место, когда речь идет о сложных природных соеди-
соединениях, содержащих два или более хиральных центров.
114
ЧАСТЬ 1 БИОМОЛЕКУЛЫ
5.4. Оптически активные
аминокислоты в белках
представляют собой
L-стереоизомеры
Почти все природные биологические
соединения, содержащие хиральный
центр, встречаются только в какой-ни-
какой-нибудь одной стерео изомерной форме- D
или L. За исключением глицина, у кото-
которого нет асимметрического атома угле-
углерода, все аминокислоты, входящие в со-
состав молекул белков, являются L-сте-
реоизомерами. Этот вывод был сделан
на основе многочисленных тщательно
проведенных химических исследований,
в которых оптические свойства амино-
аминокислот сопоставлялись с их поведением
в химических реакциях. Ниже мы уви-
увидим, что в живой природе встречаются
также и некоторые D-аминокислоты,
но они никогда не входят в состав
белков.
Присутствие в белках только L-сте-
реоизомеров аминокислот весьма при-
примечательно, так как в обычных химиче-
химических реакциях, используемых для синте-
синтеза соединений с асимметрическим ато-
атомом углерода, всегда получаются опти-
оптически неактивные продукты. Это проис-
происходит потому, что в обычных химиче-
химических реакциях с одинаковой скоростью
образуются как D-, так и L-стереоизо-
L-стереоизомеры. В результате получается рацеми-
рацемическая смесь, или рацемат,-эквимоляр-
ная смесь D- и L-изомеров, которая не
вращает плоскость поляризации ни
в том, ни в другом направлении. Раце-
Рацемическую смесь можно разделить на D-
и L-изомеры только при помощи очень
трудоемких методов, основанных на
различиях в физических свойствах сте-
реоизомеров. Разделенные D- и L-изо-
L-изомеры со временем снова превращаются
в рацемическую смесь (см. дополнение
5-2).
Дополнение 5-2. Как определить возраст человека,
используя химию аминокислот
Оптические изомеры аминокислот претерпевают очень медленную
и самопроизвольную неферментативную рацемизацию, так что за ка-
какой-то весьма длительный период времени чистый L- или D-изомер
может превратиться в эквимолярную смесь D- и L-изомеров. Раце-
Рацемизация каждой L-аминокислоты при данной температуре идет
с определенной скоростью. Это обстоятельство можно использовать
для определения возраста людей и животных или ископаемых остат-
остатков организмов. Например, в белке дентине, содержащемся в твер-
твердой эмали зубов, L-аспартат самопроизвольно рацемизуется при
температуре человеческого тела со скоростью 0.10и/о в год. У детей
в период формирования зубов в дентине содержится только L-аспар-
L-аспартат. Можно выделить дентин всего из одного зуба и определить
в нем содержание D-аспартата. Такие анализы были проделаны на
дентине обитателей горных селений Эквадора, многие из которых
приписывали себе слишком большой возраст. Так как в ряде случаев
это вызывало сомнения, для проверки был использован рацемиза-
ционный тест, который оказался довольно точным. Так, для 97-лет-
97-летней женшины, возраст которой был документально засвидетельство-
засвидетельствован, согласно тесту был установлен возраст 99 лет.
Тесты, выполненные на ископаемых остатках доисторических жи-
животных-слонов, дельфинов и медведей-показали, что данные, полу-
полученные этим методом, хорошо согласуются с результатами датиро-
датирования, основанного на скорости распада радиоактивных изотопов.
ГЛ. 5. АМИНОКИСЛОТЫ И ПЕПТИДЫ
115
Живые клетки обладают уникальной
способностью синтезировать L-амино-
кислоты с помощью стереоспецифиче-
ских ферментов. Стереоспецифичность
этих ферментов обусловлена асимме-
асимметрическим характером их активных цен-
центров. Ниже мы увидим, что характерная
трехмерная структура белков, благодаря
которой они проявляют самые разные
виды биологической активности, возни-
возникает только в том случае, если все вхо-
входящие в их состав аминокислоты при-
принадлежат к одному стереохимическому
ряду.
5.5. Классификация
аминокислот на основе их R-rpynn
Рассмотрим теперь структуру 20 ами-
аминокислот, встречающихся в белках. Де-
Дело облегчается тем, что все аминокис-
аминокислоты можно сгруппировать на основе
признаков, свойственных их R-группам.
в частности их полярности (табл. 5-3),
т.е. способности R-групп к взаимодей-
взаимодействию с водой при биологических значе-
значениях рН (вблизи рН 7,0). По степени по-
полярности все R-группы аминокислот
можно расположить в виде непрерывно-
непрерывного ряда, начиная от полностью нено-
Таблица 5-3. Классификация аминокислот
в соответствии с полярностью их R-rpynn
(при рН 7)
Неполярные R-группы
Алании Метионин
Валин Пролин
Изолейцин Триптофан
Лейцин Фенилаланин
Полярные, но незаряженные R-группы
Аспарагин Тирозин
Глицин Треонин
Глутамин Цистеин
Серии
Отрицательно заряженные R-группы
Аспарагиновая кислота
Глутаминовая кислота
Положительно заряженные R-группы
Аргинин
Гистидин
Лизин
лярных, или гидрофобных (т.е. водоот-
водоотталкивающих), R-групп и кончая сильно
полярными, или гидрофильными («лю-
(«любящими» воду), R-группами.
Строение 20 стандартных аминокис-
аминокислот показано на рис. 5-6. Имеется четы-
четыре основных класса аминокислот, содер-
содержащих R-группы следующих типов:
1) неполярные, или гидрофобные, 2)
полярные, но незаряженные, 3) отрица-
отрицательно заряженные и 4) положительно
заряженные. Внутри каждого класса
имеется определенная градация по по-
полярности, размерам и форме R-rpynn.
5.6. Восемь аминокислот
содержат неполярные
R-группы
R-группы этого класса аминокислот
представляют собой углеводороды, и,
следовательно, они гидрофобны
(рис. 5-6). К данному классу относятся
пять аминокислот с алифатическими R-
группами (аланин, валин, лейцин, изолеп-
цин и пролин), две аминокислоты с аро-
ароматическими кольцами [фенилаланин
и триптофан) и одна аминокислота, со-
содержащая серу (метионин). Особого
упоминания заслуживает пролин, так
как его а-аминогруппа не свободна,
а замещена частью R-группы, в резуль-
результате чего молекула приобретает цикли-
циклическую структуру (рис. 5-6).
5.7. Семь аминокислот
содержат незаряженные
полярные- R-группы
Эти аминокислоты (рис. 5-6) лучше
растворяются в воде, т. е. они более гид-
гидрофильны, чем неполярные аминокис-
аминокислоты, так как их функциональные
группы образуют водородные связи
с молекулами воды. В этот класс ами-
аминокислот входят глицин, серин, треонин,
цистеин, тирозин, аспарагин и глутамин.
Полярность серина, треонина и тиро-
тирозина обусловлена их гидроксилъными
группами, полярность аспарагина и глу-
тамина-их амидными группами, а по-
полярность цистеина его сульфгидриль-
ной, или тиоловой, группой. R-rpynna
116
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
Неполярные (гидрофобные) Н-группы
«ю- , fcoo- сосг
соо-
сн3 /Сн
н3с сн3
[
н/"сн3
Алании
Валин
Лейцин
СН,
Пролии
сосг
I- ¦
с
сн»
сн,
S
сн,
Метионин
I
сн»
сн3
Изолейцин
СОО"
сн»
Фенилалании
NH
ь
Триптофан
СОСГ
Глицин
^СОв",
снгон
Незаряженные полярные Н-грунпы
СОО" СОСГ СОСГ
Серии
н—с—он
сн3
Треонин
(ро-
(роеоо-
СНг
с
Цистеип
ст
Тирозин
Аспарагин
HjNC
CHS
Г
H2N ЧО
Глутамин
Отрицательно заряженные
полярные Н-грунпы
сосг
¦н
сн»
ооо-
соо-
с-н
сн,
сн»
СОО"
Аспарагиновая Глутаминовая
кислота кислота
Положительно заряженные полярные Н-группы
соо-
СОСГ
снг
СН
снг
сн»
Лизин
сн»
сн2
СН1
NH
С=ЙНг
МН
Аргинин
Гистидин
глицина, представляющая собой всего
лишь один атом водорода, слишком ма-
мала, чтобы компенсировать сильную по-
полярность а-аминогруппы и а-карбок-
сильной группы.
Аспарагин и глутамин представляют
собой амиды двух других аминокис-
аминокислот-соответственно аспарагиноеой
и глутаминовой кислот, которые также
служат строительными блоками белков.
При кислотном или щелочном гидроли-
гидролизе аспарагин и глутамин легко перехо-
Рис. 5-6. 20 аминокислот, из которых обычно
состоят белки. Их аминогруппы и карбок-
карбоксильные группы показаны ионизированными,
как это действительно имеет место при рН 7,0.
Части молекул, одинаковые для всех аминокис-
аминокислот, изображены на красном фоне. R-группы
обозначены черным.
дят в эти аминокислоты. Цистеин и ти-
тирозин содержат R-группы, диссоции-
диссоциирующие с образованием ионов Н+,
однако при рН 7,0 обе эти группы-тио-
ловая группа цистеина и гидроксильная
ГЛ. 5. АМИНОКИСЛОТЫ И ПЕПТИДЫ
117
:оон
H2N—С—Н
СН2—SH
Цистеин
2
СООН
СООН
H.N—С—Н
Цистеин
СООН
H2N—С—Н H2N—С—Н
сн2—s—s—сн2
Цистин
Рис. 5-7. Цистеин и цистин. Тиоловые (—SH)
группы двух молекул цистеина легко окисляют-
окисляются и, соединяясь друг с другом, образуют ди-
сульфцдную группу цистина. В белках встре-
встречаются как цистеин, так и цистин.
группа тирозина-ионизированы лишь
в незначительной степени.
Цистеин заслуживает особого упоми-
упоминания по другой причине. Он может
присутствовать в белках в двух фор-
формах-либо в форме собственно цисте-
цистеина, либо в форме цистина, молекула
которого представляет собой две моле-
молекулы цистеина, ковалентно связанные
друг с другом при помощи дисульфид-
ного мостика, образующегося при окис-
окислении обеих тиоловых групп (рис. 5-7).
Цистин играет важную роль в формиро-
формировании некоторых белков, например гор-
гормона инсулина и иммуноглобулинов (ан-
(антител). В этих белках две половины
молекулы цистина служат строительны-
строительными блоками двух разных полипеп-
полипептидных цепей, и благодаря дисульфид-
ной связи они оказываются поперечно
связанными между собой (разд. 6.8). Та-
Такие поперечные связи обычно отсут-
отсутствуют во внутриклеточных белках, но
широко представлены в белках, секрети-
руемых во внеклеточную жидкость, в
которой они выполняют свои функции.
5.8. Две аминокислоты
содержат отрицательно
заряженные (кислые) R-группы
К этому классу относятся аспарагино-
вая и глутаминоеая кислоты, каждая из
которых содержит вторую карбоксиль-
карбоксильную группу и при рН 7 несет сум-
суммарный отрицательный заряд (рис. 5-6).
Эти аминокислоты могут быть предше-
предшественниками аспарагина и глутамина
(см. выше).
5.9. Три аминокислоты
содержат положительно
заряженные
(основные) R-группы
Аминокислоты, у которых R-группы
при рН 7,0 несут суммарный положи-
положительный заряд,-это лизин, содержащий
вторую аминогруппу, прикрепленную
к алифатической цепи в е-положении,
аргинин, имеющий положительно заря-
заряженную гуанидиновую группу, и гисти-
дин, содержащий слабо ионизированную
имидазольную группу (рис. 5-6).
5.10. В некоторых белках
присутствуют нестандартные
аминокислоты
Кроме 20 стандартных аминокислот,
встречающихся почти во всех белках,
существуют нестандартные аминокис-
аминокислоты, являющиеся компонентами лишь
некоторых типов белков (рис. 5-8). Каж-
Каждая из этих нестандартных аминокислот
представляет собой производное одной
из 20 обычных аминокислот. К нестан-
нестандартным аминокислотам относятся
4-гидроксипролин, производное пролила,
и 5-гидроксилизин; обе эти аминокис-
аминокислоты входят в состав коллагена - фи-
фибриллярного белка соединительной тка-
ткани (гл. 7). В мышечном белке миозине,
участвующем в работе сократительной
системы, присутствует N-метиллизин
(разд. 14.14). Еще одна нестандартная
аминокислота - это у-карбоксиглутами-
новая кислота, обнаруженная в про-
протромбине- одном из белков, ответ-
ответственных за свертывание крови (гл. 25),
а также в некоторых других белках, ко-
которые, как и протромбин, при выполне-
выполнении своей биологической функцир
связывают ионы Са2 +. Более сложное
строение имеет нестандартная амино-
118
ЧАСТЬ 1 БИОМОЛЕКУЛЫ
ОН -С- ;СН2
sCH2 'СН—СООН
Sj" *
н
4-гидроксипролин
Ь 5 4 1^1
H2N—СН2—СН—СН2—СН2—СН—СООН
ОН
5-гидроксилиэин
NH
li ¦> 4 12 1
СН, —NH—СН2—СН2—СН2—СН2—СН—СООН
6-N- метиллизин
A
H2N
NH2
ноос
У
СООН
Десмозин
Б I
Рис. 5-8. Л. Некоторые нестандартные амино-
аминокислоты, встречающиеся в белках. Цветом выде-
выделены дополнительные функциональные группы,
присоединенные к молекулам стандартных ами-
аминокислот пролина и лизина. Б. Десмознн, обна-
обнаруженный в белке эластине, образуется из четы-
четырех молекул лизина, углеродные скелеты ко-
которых выделены жирным шрифтом и затенены.
кислота десмозин, производное лизина,
присутствующая только в фибрилляр-
фибриллярном белке эластине (разд. 7.17).
5.11. В водных растворах
аминокислоты ионизированы
При растворении в воде аминокис-
аминокислоты ионизируются и ведут себя как
кислоты или основания. Знание кислот-
кислотно-основных свойств аминокислот
имеет исключительно важное значение
для понимания многих свойств белков.
Более того, на этих свойствах аминокис-
аминокислот основаны все методы разделения,
идентификации и количественного ана-
анализа, т.е. тех обязательных этапов, ко-
которые включает процесс определения
аминокислотного состава белков и их
аминокислотной последовательности.
а-Аминокислоты, содержащие одну
аминогруппу и одну карбоксильную
группу, кристаллизуются из ней-
фальных водных растворов в виде пол-
полностью ионизированных молекул, ко-
которые называются биполярными ионами
или цвиттерионами (что по-немецки оз-
означает «гибридные ионы») (рис. 5-9).
Хотя такие ионы и несут на своих «по-
«полюсах» электрические заряды противо-
противоположного знака, в целом они электри-
электрически нейтральны и потому не сме-
смещаются под действием электрического
поля. Предположение о биполярном
строении аминокислот вначале было ос-
основано на том, что кристаллические
Биполярная форма
(называемая также
цвиттррионом)
сосг
Неиониая форма
СООН
I
H2N—С—Н
R
Рис. 5-9. Неионная и биполярная (пвиттерион-
ная) формы аминокислот. Обратите внимание
на то, что в биполярной форме оба заряда про-
пространственно разделены и поэтому молекула
представляет собой электрический диполь.
аминокислоты имеют значительно бо-
более высокие температуры плавления,
чем другие органические молекулы та-
таких же размеров. Кристаллическая ре-
решетка аминокислот стабилизирована за
счет электростатических сил притяжения
между противоположно заряженными
функциональными группами соседних
молекул и в этом отношении напоми-
напоминает прочную ионную кристаллическую
решетку NaCl (разд. 4.3). Чтобы распла-
расплавить такой ионный кристалл, необходи-
необходимо разъединить сильно взаимодей-
взаимодействующие положительные и отрица-
ГЛ. 5. АМИНОКИСЛОТЫ И ПЕПТИДЫ
119
тельные заряды, а это можно сделать
только путем нагревания кристалла до
очень высокой температуры. Напротив,
большинство простых неионных органи-
органических соединений сходной молекуляр-
молекулярной массы плавится при сравнительно
низких температурах в соответствии
с тем, что они имеют относительно ме-
менее прочные неионные кристаллические
решетки.
5.12. Аминокислоты могут
вести себя н как кислоты,
и как основания
В водном растворе аминокислоты, на-
например аланин, существуют в форме би-
биполярных ионов, которые функциони-
функционируют либо как кислоты (доноры прото-
протонов):
два протона, согласно следующем)
уравнению:
н
I
R—С—COO" +
Н
I
-R—С—СООП
I
NH,
либо как основания (акцепторы прото-
протонов):
н
R—С—СОО
I
NH,
Н
I
R—С—COO" + И*
I
NH,
Вещества с такими двойственными
свойствами являются сшфотерными (от
греч. «amphi»-o6a) и часто называются
амфолитами, (сокращение от слов «ам-
фотерные электролиты»). Простая мо-
ноаминомонокарбоновая а-аминокисло-
та, такая, как аланин. представляет
собой по существу двухосновную кисло-
кислоту, когда она находится в полностью
протонированной форме, т. е. когда про-
протоны присоединены и к аминогруппе и
к карбоксильной группе. В этой форме
она имеет две группы, от которых
в процессе диссоциации отщепляются
н
I
R—С—СООН
I
NH,
Н*
J I J I
-*- R—С—СОО- -*— R—С—
соо-
NH.
5.13. Аминокислоты имеют
характерные кривые
титрования
На рис. 5-Ю дана кривая титрования
аланина, находящегося вначале в пол-
полностью протонированной форме. Титро-
Титрование проходит через две стадии, каждая
из которых соответствует отщеплению
одного протона. Участок кривой, отве-
отвечающий каждой из этих стадий, напо-
напоминает по форме кривую титрования
одноосновной кислоты, например уксус-
уксусной (см. рис. 4-10), и допускает точно та-
такую же интерпретацию. В самом начале
титрования аланина его молекулы нахо-
находятся в полностью протонированной
форме и в растворе преобладают ионы
+ NH3—CHR - СООН (в этой формуле
R означает метильную группу аланина).
В средней точке участка кривой, соответ-
соответствующего первой стадии титрования,
когда происходит отщепление протона
от карбоксильной группы, присутствуют
эквимолярные концентрации донора
(+NH3 CHR-СООН) и акцептора
(+NH3—CHR—COO") протонов. На-
Напомним (гл. 4), что этой средней точке
соответствует значение рН, численно
равное величине рК' титруемой группы.
В данном случае средней точке кривой на
первой стадии титрования соответствует
рН 2,34; следовательно, величина рК'
карбоксильной группы аланина равна
2,34. Продолжая титрование дальше, мы
достигнем другой важной точки, отве-
отвечающей рН 6,02, точки перегиба кривой.
Именно в этот момент заканчивается
стадия отщепления первого протона
и начинается стадия отщепления второго
протона. При этом значении рН аланин
находится преимущественно в форме би-
биполярного иона +NH3- CHR COO".
Чуть позже мы еще вернемся к вопросу
120
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
14
13
12
И
10
9
8
рН 7
6
5
4
3
2
1
0
-Стадия 1 - т
-С001
итровг
^груп
шие
пы
NH3CHRCOOH
/
I
л т
/ J:
I
/
/
/
У
NH2CHRCOO
РКГ|
J
6,02
NH3CHRCOOH
NH3CHRCOO"
Г
>с
7
/
у
NH3CHRCOO
NH2CHRCOO"
Г
NH3CHRCOO'
и зо электрическая—
биполярная форма
а
адия 2 — титро!
- +КН8-группы
зание
0,5
1,0
1,5
2,0
Число эквивалентов
о значении этой точки на кривой титро-
титрования.
На второй стадии титрования происхо-
происходит отщепление протона от
+NH3-rpynnbi аланина. Средняя точка
этого участка кривой титрования со-
соответствует эквимолярным концентра-
концентрациям ионов +NH3—CHR—СОСГ и
NH2—CHR —COO". Значение рН в этой
точке равно 9,69, такое же значение имеет
и р/С +NH3-rpynnbi аланина. Титрование
завершается приблизительно при рН 12,
когда аланин находится преимуществен-
преимущественно в форме полностью депротониро-
ванных ионов NH2—CHR- -COO".
Из кривой титрования аланина мы мо-
можем извлечь ряд ценных сведений. Пре-
Прежде всего она дает нам количественную
информацию о величинах рК' каждой из
двух ионизируемых групп: карбоксиль-
карбоксильная группа имеет рК' 2,34, а замещенная
аммонийная группа -рК' 9,69. Отметим
добавленной 0,1 М МаОН
Рис. 5-10. Кривая титрования 0,1 М аланина.
Ионные формы, преобладающие при различных
значениях рН, заключены в прямоугольные рам-
рамки. Буквой R обозначена метильная группа ала-
аланина. Пологие участки кривой титрования по
обе стороны от точек, соответствующих величи-
величинам рК,' = 2,34 и pKi = 9,69, представляют со-
собой зоны, где аланин обладает буферной ем-
что степень диссоциации карбоксильной
группы аланина более чем в 100 раз выше
степени диссоциации карбоксильной
группы уксусной кислоты, величина рК'
которой равна 4,76. Столь сильное разли-
различие кажется на первый взгляд непо-
непонятным, поскольку величины рК' других
простых монокарбоновых кислот, таких,
как муравьиная или пропионовая кисло-
кислота, мало отличаются от величины рК' ук-
уксусной кислоты (см. табл. 4-4). Повышен-
Повышенная способность карбоксильной группы
аланина к ионизации обусловлена элек-
ГЛ. 5. АМИНОКИСЛОТЫ И ПЕПТИДЫ
121
тростатическим отталкиванием ее прото-
протона от находящейся поблизости положи-
положительно заряженной +NH3-rpynnbi, свя-
связанной, как и СООН-группа, с атомом
а-углерода (рис. 5-11). По этой причине
ионизационное равновесие карбоксиль-
карбоксильной группы аланина сильно смещено
вправо. При ионизации —СООН-группы
уксусной кислоты никакие силы отталки-
отталкивания не действуют (рис. 5-11).
5.14. По кривой титрования
можно предсказать, какой
электрический заряд несет
данная аминокислота
Из кривых титрования аминокислот
следует также, что между рН раствора
и суммарным электрическим зарядом
аминокислоты существует определенное
соотношение. При рН 6,02, соответ-
а - Аминокислота
Н
Н
I
R—С—COOH^^R—С—COO" + Н*
Уксусная кислота
CH.J—СООН =
Положительные заряды
отталкивают друг друга
СН,—СОСГ + Н+
\/
Противоположные заряды
притягивают друг друга
Рис. 5-11. Аминогруппа в а-аминокислотах по-
повышает способность карбоксильной группы
к ионизации вследствие взаимного отталкива-
отталкивания положительно заряженвой + NHj-группы
и положительно заряженного иона Н + (обе
группы выделены красным цветом). Благодаря
такому отталкиванию карбоксильная группа
в а-аминокислотах имеет более высокую степень
ионизации, чем карбоксильная группа уксусной
кислоты.
Из кривой титрования аланина
(рис. 5-10) мы можем узнать еше об
одном важном факте: эта аминокислота
проявляет буферные свойства в двух
областях рН (см. рис. 4-10). Одна из них
определяется сравнительно плоским
участком кривой по обе стороны от точ-
точки, соответствующей рК' 2,34, откуда
следует, что аланин должен быть хоро-
хорошим буфером вблизи рН 2,34. Другая бу-
буферная зона расположена между значе-
значениями рН 8,7 и 10,7. Отметим также, что
при значении рН около 7,4, характерном
для межклеточной жидкости и крови,
аланин является плохим буфером.
Используя уравнение Хендерсона-
Хассельбаха (гл. 4), мы можем рассчи-
рассчитать, в каком соотношении нужно взять
протондонорные и протонакцепторные
формы аланина, чтобы приготовить бу-
буфер с заданным значением рН, находя-
находящимся в пределах буферных зон аланина.
Это уравнение позволяет решать также
и другие задачи, связанные с буферными
свойствами аминокислот.
ствующем точке перегиба кривой титро-
титрования, где одна стадия титрования пере-
переходит в другую, аланин находится
в форме биполярного иона (цвиттерио-
на), который полностью ионизирован, но
не имеет суммарного электрического за-
заряда (см. рис. 5-10). При этом значении
рН молекула аланина электрически ней-
нейтральна и не смещается в электрическом
поле. Это характеристическое значение
рН называется изоэлектрической точкой
(рН/ или р/). Изоэлектрическая точка
представляет собой среднее арифметиче-
арифметическое двух величин рК':
рН, = у (рК\ + рК2);
отсюда изоэлектрическая точка аланина
равна
= —B,34 + 9,69) = 6,02.
При любом значении рН, превышающем
изоэлектрическую точку, аланин имеет
122
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
суммарный отрицательный заряд и дви-
движется в электрическом поле в сторону по-
положительного электрода (анода). При
чюбом значении рН ниже изоэлектриче-'
ской точки аланин несет суммарный по-
положительный заряд, как видно из
рис. 5-10, и движется в электрическом по-
поле в сторону отрицательного электрода
(катода). Чем дальше от изоэлектриче-
ской точки находится рН раствора ала-
аланина, тем больше суммарный электри-
электрический заряд, который несут молекулы
аланина. Например, при рН 1.0 все моле-
молекулы аланина существуют в форме ионов
+NH3—CHR—СООН с суммарным по-
положительным зарядом 1,0. При рН 2,34,
когда мы имеем дело со смесью равных
количеств ионов +NH3 CHR COOH
и +NH3 CHR COO , средний, или
суммарный, положительный заряд равен
0,5. Аналогичным образом можно пред-
предсказать знак и величину суммарного за-
заряда для любой другой аминокислоты
при любом значении рН.
Эта информация, как мы вскоре уви-
увидим, имеет важное практическое значе-
значение, так как из нее следует, что смесь ами-
аминокислот можно разделить, подвергнув
ее воздействию электрического поля при
определенном значении рН: в этих усло-
условиях различные аминокислоты движутся
в разных направлениях и с разными от-
относительными скоростями.
5.15. Аминокислоты
различаются по своим
кислотно-основным свойствам
Мы довольно подробно проанализи-
проанализировали кривую титрования аланина,
изображенную на рис. 5-10. А как ведут
себе другие 19 аминокислот? К счастью,
есть возможность сделать некоторые
упрощающие обобщения, касающиеся
кислогно-основных свойств аминокислот
различных классов.
Все аминокислоты, содержащие одну
а-аминогруппу. одну карбоксильную
группу и одну неионизируемую R-rpynny,
дают кривые титрования, сходные с кри-
кривой титрования аланина. Вся эта группа
аминокислот (см. табл. 5-3) характери-
характеризуется очень близкими, но не одинаковы-
одинаковыми значениями р/С/, лежащими в интер-
интервале от 2,0 до 3,0 и рК{, лежащими
в интервале от 9,0 до 10,0, о чем свиде-
свидетельствуют цифры, приведенные для не-
некоторых из этих аминокислот в табл. 5-4.
Таким образом, все аминокислоты этой
группы ведут себя подобно аланину
и дают кривые титрования такого же ти-
типа, как на рис. 5-10.
Таблица 5-4. Величины рК' ионизируемых
групп некоторых
Аминокислота
Глицин
Аланин
Лейцин
Серии
Треонин
Глутамин
Аспарагиновая
кислота
Глутаминовая
кислота
Гистидин
Цистеин
Тирозин
Лизин
Аргинин
аминокислот при 25"С
СООН
2,34
2,34
2,36
2,21
2,63
2,17
2,09
2,19
1,82
1,71
2,20
2,18
2,17
pjq
NH3+
9,6
9,69
9,60
9,15
10,43
9,13
9,82
9,67
9,17
10,78
9,11
8,95
9,04
рК'
R-группы
3,86
4,25
6,0
8,33
10,07
10,53
12,48
Аминокислоты с ионизируемой R-
группой (см. табл. 5-3) имеют более
сложные кривые титрования, складываю-
складывающиеся из трех участков, соответствую-
соответствующих трем возможным стадиям иониза-
ионизации: следовательно, они имеют три
значения рК'. Стадия, соответствующая
титрованию ионизируемой R-группы,
в какой-то степени сливается с двумя
остальными. На рис. 5-12 показаны
кривые титрования двух представителей
этой группы- глутаминоеой кислоты
и гистидина. Изоэлектрические точки
аминокислот этого класса определяются
типом присутствующей в них ионизируе-
ионизируемой R-группы. Например, глутаминовая
кислота, содержащая две карбоксильные
группы и одну аминогруппу, имеет изо-
электрическую точку 3,22 (среднее между
двумя величинами рК' для двух карбок-
ГЛ. 5. АМИНОКИСЛОТЫ И ПЕПТИДЫ
123
12
10
8
рН6
4
Глутаминовг
кислота
г
я
I
У
12
10
8
рНб
4
Гистидин
/
рк)
Эквиваленты ОН ~
1,0 2,0 3,0
Эквиваленты ОН —
Рис. 5-12. Кривые титрования глутаминовой
кислоты и гистидина. Величина рК' R-группы
обозначена как рК '.
к
сильных групп), т.е. намного ниже, чем
у аланина. Аналогичным образом изо-
электрическая точка у лизина, содержа-
содержащего две аминогруппы, равна 9,74, что
гораздо выше, чем у аланина.
Другое важное обобщение, касающее-
касающееся кислотно-основных свойств 20 стан-
стандартных аминокислот, состоит в следую-
следующем. Практически только одна амино-
аминокислота, гистидин, обладает значи-
значительными буферными свойствами при
значениях рН, близких к рН межклеточ-
межклеточной жидкости и крови. Как можно видеть
из табл. 5-4 и рис. 5-12, R-группа гисти-
гистидина имеет р/С' 6,0, что придает ей значи-
значительную буферную емкость при рН 7. Все
остальные аминокислоты имеют вели-
величины рК' слишком далекие от рН 7,
чтобы их растворы можно было исполь-
использовать в качестве эффективных буферов
при этом значении рН. Содержащийся
в эритроцитах белок гемоглобин, выпол-
выполняющий функцию переносчика кислоро-
кислорода, характеризуется очень высоким со-
содержанием остатков гистидина. Это
придает ему значительную буферную ем-
емкость при рН около 7, что весьма важно
для той роли, которую играют эритро-
эритроциты в переносе кровью кислорода
и углекислого газа (гл. 25).
5.16. Кислотно-основные
свойства аминокислот служат
основой для аминокислотного
анализа
Как мы увидим в гл. 6, первым шагом
на пути установления структуры данного
белка является его гидролитическое рас-
расщепление на составляющие аминокис-
аминокислоты. После этого необходимо опреде-
определить, какое количество аминокислот
каждого типа содержится в этом белке.
Казалось бы, должно потребоваться
много труда и терпения для того, чтобы
разделить образовавшуюся после гидро-
гидролиза смесь аминокислот, идентифициро-
идентифицировать их и количественно определить со-
содержание каждой из 20 аминокислот.
Однако в настоящее время разработаны
очень эффективные и чувствительные ме-
методы, позволяющие решать такие задачи
достаточно быстро. К подобным мето-
методам относятся, в частности, электрофо-
электрофорез и ионообменная хроматография. Оба
этих метода основаны на различиях
в кислотно-основных свойствах амино-
аминокислот, т. е. на различиях в знаке и вели-
величине суммарного электрического заряда
при данном значении рН, которые можно
легко предсказать исходя из величин рК'
и кривых титрования исследуемых ами-
аминокислот.
124
ЧАСТЬ 1 БИОМОЛЕКУЛЫ
5.17. Электрофорез на бумаге
позволяет разделять
аминокислоты в соответствии
с их электрическим зарядом
Простейшим методом разделения
аминокислот служит электрофорез на бу-
бумаге (рис. 5-13). Каплю водного раство-
раствора, содержащего смесь аминокислот, на-
наносят на полоску фильтровальной бума-
бумаги, смоченную буфером с данным значе-
значением рН. Далее к этой полоске при-
прикладывают высокое напряжение, создаю-
создающее сильное электрическое поле. Из-за
различий в величинах рК' аминокислоты
перемещаются вдоль полоски в том или
Полоска фильтро- Пятно, содержащее
вальной бумаги смесь аминокислот
«¦ Анионы «Катионы ¦»
/ Кювета с буфером
Анод
Катод
Рис. 5-13. Разделение аминокислот методом
электрофореза на бумаге. На полоску бумаги на-
наносят каплю раствора, содержащего смесь ами-
аминокислот. Ей дают высохнуть, после чего эту по-
полоску бумаги смачивают буфером с заданным
значением рН и помешают между охлаждающи-
охлаждающими пластинами. Концы полоски погружают
в кюветы с электродами и включают высокое
напряжение. В возникающем при этом постоян-
постоянном электрическом поле аминокислоты разде-
разделяются в соответствии с их суммарным электри-
электрическим зарядом при выбранном рН. Аминокис-
Аминокислоты, которые при этом значении рН представ-
представляют собой катионы, мигрируют к катоду
(отрицательному полюсу), а аминокислоты,
имеющие форму анионов, перемещаются к ано-
аноду (положительному полюсу), как это показано
на схеме, изображающей электрофореграмму
в момент времени Tt. В конце процесса (на схе-
схеме-в момент времени Т2) бумагу высушивают,
опрыскивают нингидрином и нагревают, в ре-
результате чего на бумаге проступают пятна, со-
соответствующие расположению различных ами-
аминокислот, которые можно идентифицировать
путем сравнения их положения с положением
аутентичных аминокислот, используемых в каче-
качестве «свидетелей».
ином направлении и с разными скоростя-
скоростями в зависимости от рН буферной си-
системы и приложенного напряжения. На-
Например, при рН 1,0 гистидин, аргинин
и лизин несут заряд + 2 и движутся к от-
отрицательно заряженному катоду быстрее
остальных аминокислот, заряд которых
равен + 1. С другой стороны, при рН 6,0
положительно заряженные аминокис-
аминокислоты (лизин, аргинин и гистидин) дви-
движутся к катоду, а отрицательно заря-
заряженные (аспарагиновая и глутаминовая
кислоты)-к аноду. Все остальные амино-
аминокислоты либо остаются на месте их нане-
нанесения, либо перемещаются лишь на не-
незначительные расстояния, так как кроме
а-аминогруппы и а-карбоксильной
группы у них нет других ионизируемых
групп; поэтому изоэлектрические точки
всех этих аминокислот практически не
различаются. Об этом свидетельствуют
величины рК( и рК^, приведенные
в табл. 5-4. Чтобы установить положе-
положение разделенных аминокислот на элек-
трофореграмме, полоску бумаги высу-
высушивают, опрыскивают нингидрином (см.
ниже) и нагревают. Синие или лиловые
пятна, проступающие на бумаге, указы-
указывают на присутствие той или иной ами-
аминокислоты. При тех же условиях прово-
проводят электрофорез известных образцов
аминокислот, которые служат «маркера-
«маркерами», позволяющими определить харак-
характерное для каждой аминокислоты поло-
положение на электрофореграмме (см.
рис. 5-13).
5.18. Ионообменная
хроматография служит более
эффективным способом
разделения аминокислот
Для разделения смесей аминокислот,
а также для идентификации и количе-
количественного определения разделенных ами-
аминокислот особенно широко применяется
метод ионообменной хроматографии.
Этот метод тоже основан на различиях
кислотно-основных свойств аминокис-
аминокислот, но большой вклад в его эффектив-
эффективность вносят некоторые дополнительные
факторы. Хроматографическая колонка
представляет собой длинную стеклянную
ГЛ. 5. АМИНОКИСЛОТЫ И ПЕПТИДЫ
125
трубку, заполненную гранулами синтети-
синтетической смолы, содержащей прочно свя-
связанные с ней заряженные группы. Смолы
со связанными анионными группами на-
называются катионообменными, а смолы
со связанными катионными группа-
группами- анионообменными. В наиболее про-
простом варианте ионообменной хромато-
хроматографии разделение аминокислот осу-
осуществляют на колонке с катионообмен-
ной смолой, в которой связанные
анионные группы, например остатки
сульфоновой кислоты ( —SOJ), сначала
«нагружают» ионами Na+ (рис. 5-14). За-
Затем на поверхность смолы наносят
кислый раствор (рН 3,0), содержащий
анализируемую смесь аминокислот,
Анионные центры
ший положительный заряд (лизин, арги-
аргинин и гистидин), особенно активно
вытесняют ионы Na+ и вследствие этого
очень прочно связываются со смолой.
Аминокислоты, несущие при рН 3,0 на-
наименьший положительный заряд (глута-
миновая и аспарагиновая кислоты),
связываются со смолой в наименьшей
степени. Все другие аминокислоты несут
в этих условиях промежуточный по вели-
величине положительный заряд и характери-
характеризуются соответственно промежуточной
прочностью связывания со смолой. В ре-
результате различные аминокислоты про-
продвигаются вниз по колонке со смолой
с разными скоростями, которые зависят
в основном от величин их рК', но отчасти
Na+
NH3—CHR-COOH
Обмен
катионов
fЧастица^
смолы
SO; NHs-CHR—COOH
SO; NH3—CHR-COOH
+ ZNa+
Рис. 5-14. Различные ионные формы катио-
нообменной смолы. Отрицательно заряженные
сульфогруппы (—SOj) притягивают и связы-
связывают катионы, например Н +, Na*, или ка-
тионные группы аминокислот. При рН 3 боль-
большинство аминокислот находятся в форме катио-
катионов, хотя и различаются по величине суммарно-
суммарного положительного заряда и, следовательно, по
способности вытеснять ионы Na +. связанные
с фиксированными анионными группами. Осо-
Особенно прочно связывается лизин, содержащий
две—NH3-rpynnbi, а наименее, прочно-глута-
миновая и аспарагиновая кислоты, которые при
рН 3 несут наименьший положительный заряд.
На связывание аминокислот ионообменными
смолами влияет также их способность адсорби-
адсорбироваться на частицах смолы и растворяться вну-
внутри этих частиц.
и медленно пропускают его через колон-
колонку. При рН 3,0 аминокислоты предста-
представляют собой в основном катионы, несу-
несущие суммарный положительный заряд,
но различающиеся по степени ионизации.
По мере прохождения смеси через колон-
колонку положительно заряженные аминокис-
аминокислоты вытесняют ионы Na+, связанные
с группами — SOJ, которые прочно при-
присоединены к частичкам смолы. Амино-
Аминокислоты, имеющие при рН 3,0 наиболь-
также и от их способности адсорбиро-
адсорбироваться на частицах смолы или раство-
растворяться внутри них. Глутаминовая и аспа-
аспарагиновая кислоты будут проходить
через колонку с наибольшими скоростя-
скоростями, так как при рН 3,0 они связываются
со смолой слабее всех других аминокис-
аминокислот, тогда как лизин, аргинин и гистидин
будут двигаться медленнее остальных
аминокислот. Выходящий из нижнего
конца колонки раствор (элюат) собирают
в виде небольших порций (фракций)
объемом по нескольку миллилитров ка-
каждая и определяют количества содержа-
содержащихся в них аминокислот. Весь этот про-
процесс сейчас полностью автоматизирован,
так что отдельные его стадии -элюиро-
вание, сбор фракций, их анализ и запись
данных анализа-осуществляются по за-
заданной программе в специальном прибо-
приборе -аминокислотном анализаторе. На
рис. 5-15 показана хроматограмма про-
проанализированной таким способом смеси
аминокислот.
126
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
— рП 4,25 0,2 н. цитрат натрия-
Колонка высотой 150 см
-рНЗ,25 .
-0,5
g 0,3
1 0,1
0,2 н. цитрат натрия
Треонин
Аспара- I Серии
гиновая |
кислота Глутамино-
| ^ | вг.я кислота
Глицин
Алании
Валин
I
Метионин
Изилеицин
Лейцин
Колонка высотой
I 15 см
L——рН 5,28
I 0..Ч5 н. цитрат
натрия
[иэин
Тирозин I Гистидин
|Фепцлала--1 I NH3
нип | , J, Аргинин
i
NH
40 80 120 160 200 240 280 320 330
).|юат, мл
Рис. 5-15. Автоматическая регистрация резуль-
результатов хроматографического разделения амино-
аминокислот на катионообменной смоле. Элюирова-
ние аминокислот проводят различными буфера-
буферами с постепенно возрастающими значениями
рН. Выходящий из колонки раствор собирают
небольшими порциями в отдельные пробирки,
после чего в каждой из них автоматически опре-
определяется содержание аминокислоты. Площадь
поя каждым пиком пропорциональна количе-
количеству соответствующей аминокислоты в анализи-
анализируемой смеси.
5.19. Химические реакции,
характерные для аминокислот
Способность аминокислот, как и всех
других органических соединений, всту-
вступать в химические реакции определяется
наличием в их составе функциональных
групп (см. гл. 3). Поскольку все амино-
аминокислоты содержат аминогруппу и кар-
карбоксильную группу, каждая из них может
вступать в химические реакции, харак-
характерные для этих групп. Например, ами-
аминогруппы могут быть ацетилированы,
а карбоксильные группы - этерифициро-
ваны. Мы не будем рассматривать здесь
все органические химические реакции,
в которых способны участвовать амино-
аминокислоты, но отметим лишь две важные
реакции, широко применяемые для обна-
обнаружения, идентификации и количествен-
количественного анализа аминокислот.
Первая из них-это нингидрииовая ре-
реакция (рис. 5-16), используемая для обна-
обнаружения и точного определения неболь-
небольших количеств аминокислот. При нагре-
нагревании аминокислот с избытком нингид-
370 410 450 490 50
90
130
О
ОН
\ / I
/С + R—С—СООН Аминокислота
Он NH2
ЗН2О
о
Пурпурный пигмент
Рис. 5-16. Нингияриновая реакция, используе-
используемая для обнаружения и количественного опреде-
определения содержания а-аминокислот. Атомы ами-
аминокислоты указаны красным цветом, что позво-
позволяет следить за их судьбой в ходе реакции.
В конечном счете в составе лилового пигмента
оказываются две молекулы нингидрина и атом
азота аминокислоты.
ГЛ.5. АМИНОКИСЛОТЫ И ПЕПТИДЫ
127
1-фтор-2,4-динитро-
бензол
Н—С—К а-Амшюкислота
NO2 2,4-Динитрофе-
J—Н щламинокис-
I лота
Н—С—R
СООН
Рис. 5-17. Образование 2.4-динитрофенильных
проичводных аминокислот.
рина образуется продукт лилового цвета,
если аминокислота содержит свободную
а-аминогруппу, и желтый продукт, если,
как у пролина, ее а-аминогруппа замеще-
замещена. При надлежащим образом по-
подобранных условиях интенсивность
окраски можно использовать для коло-
колориметрического определения концентра-
концентраций аминокислот, так как этот метод
обладает очень высокой чувствитель-
чувствительностью.
Вторая важная реакция аминокислот-
это их взаимодействие с 1-фтор-2,4-дини-
тробензолом(ФД,НБ). В мягком щелоч-
щелочном растворе ФДНБ реагирует с а-ами-
нокислотами, в результате чего обра-
образуются 2,4-динитрофенильные про-
производные (рис. 5-17), которые можно
использовать для идентификации инди-
индивидуальных аминокислот. Позднее мы
увидим, какое важное значение имеет эта
реакция для определения аминокислот-
аминокислотной последовательности пептидов.
5.20. Пептиды-это
цепочки аминокислот
Две молекулы одной и той же или раз-
разных аминокислот могут ковалентно
связываться друг с другом при помощи
замещенной амидной связи (см.
табл. 3-4), называемой пептидной связью,
с образованием молекулы дипептида.
Пептидная связь образуется путем отще-
отщепления компонентов молекулы воды от
карбоксильной группы одной аминокис-
аминокислоты и а-аминогруппы другой аминокис-
аминокислоты под действием сильных конденси-
конденсирующих агентов (рис. 5-18). Три амино-
аминокислоты могут соединиться анало-
аналогичным образом при помощи двух
пептидных связей и образовать трипеп-
тид; точно так же можно получить те-
трстептиды и пентапептиды. Если таким
способом соединить большое число ами-
аминокислот, то возникает структура, назы-
называемая полипептидом. Пептиды различ-
различной длины образуются при частичном
гидролизе очень длинных полипеп-
полипептидных цепей белков, которые могут со-
содержать сотни аминокислотных звеньев.
На рис. 5-19 изображена структура
пентапептида. Аминокислотные звенья,
входящие в состав пептида, обычно назы-
называют остатками (они уже не являются
аминокислотами, так как у них не хватает
одного атома водорода в каждой амино-
аминогруппе и двух атомов-кислорода и водо-
водорода-в каждой карбоксильной группе).
Аминокислотный остаток, находящийся
на том конце пептида, где имеется сво-
свободная а-аминогруппа, называется ами-
ноконцееым (или N-концевым) остатком,
а остаток на противоположном конце,
несущем свободную карбоксильную
группу,- карбоксиконцевым, или С-кон-
Рис. 5-18. Образование дипептида.
f Н f
H2N—СН—С—ОН + Н—N—СН—СООН
О
нао
к, „ ?
-J-^ H,N—СН—С—N—СН—'
СООН
О
128
ЧАСТЬ 1. БИОМЛЕКУЛЫ
он
Н3С СН3
сн
н СНг
снгон н н н снг н гн3
+ 1 II I Г II II
H3N—СН— С—N—С— С—N —С—С—14—С— С—N —С—СОО"
н о
н о
н о
н
Амшюконцевой
остаток
Серил-глицил-тирозинил-аланил- лейцин
SerGlyTyr-AlaLeu
Карбоксиконцевой
остаток
Рис. 5-19. Структура пентапептида серил-гли-
цил-тирозинил-аланил-лейцина. Названия пеп-
пептидов образуют из названий аминокислот, на-
начиная с аминоконцевого остатка. Пептидные
связи затенены, а R-группы выделены красным
цветом.
цевым остатком. Названия пептидов
образуют из названий входящих в них
аминокислотных остатков в соответ-
соответствии с их последовательностью, начиная
с N-концевого остатка, как показано на
рис. 5-19.
5.21. Разделение пептидов
может быть основано
на различиях в их
ионизационных свойствах
При частичном гидролизе белков
образуется огромное множество раз-
различных пептидов. Например, данная
аминокислота может образовать дипеп-
тиды с каждой из 20 различных амино-
аминокислот; если при этом есть возможность
разного расположения аминокислот в ка-
каждом дипептиде, то в общей сложности
получим 39 различных дипептидов
(рис. 5-20). Столько же пептидов может
дать любая из 19 других аминокислот.
Если мы посчитаем, сколько всего дипеп-
дипептидов может быть составлено из 20 ами-
аминокислот, то получим 20 х 20 = 400. Чис-
Число возможных трипептидов и тетрапеп-
тидов с различным аминокислотным
составом и разной последовательностью
GlyGly
Gly-Ala
GlyVal
GlyLeu
Glylle
GlyPro
GlyMet
GlyPhe
GlyTrp
GlySer
GlyThr
Gly-Cys
Gly-Tyr
Gly-Asn
GlyGln
GlyAsp
GlyGlu
GlyLys
Gly-Arg
GlvHis
Ala-Gly
Val-Gly
Leu-Glv
Ile-Gly"
ProGly
Met-Gly
Phe-Gly
Trp-Gly
Ser-Gly
Thr-Gly
Cys-Gly
Tyr-Gly
Asn-Gly
Gln-Gly
Asp-Gly
Glu-Gly
Lys-Gly
Arg-Gly
His-Gly
Рис. 5-20. 39 возможных дипептидов, содержа-
содержащих глицин. Для удобства использованы сокра-
сокращенные трехбуквенные обозначения аминокис-
аминокислот. Аминоконцевые остатки указаны слева.
аминокислот во много раз больше. По-
Поэтому количественное разделение корот-
коротких пептидов представляет собой намно-
намного более сложную задачу, чем разделение
20 аминокислот. Тем не менее слож-
сложную смесь пептидов тоже можно разде-
разделить, используя различия в их кис-
кислотно-основных свойствах и поляр-
полярности.
Каждый пептид содержит только одну
свободную а-аминогруппу и одну сво-
ГЛ.5. АМИНОКИСЛОТЫ И ПЕПТИДЫ
129
Катионная форма (при рН ниже 3)
СН3 Н СН3
NH3—СН—С—N—СН—СООН
II
О
Иэоэлектрическая форма
СН:( Н СН3
NH3—СН—С—N—СН—СОО"
О
Анионная форма (при рН выше 10)
СН3 Н СН3
I I I
NH2—СН—С—N—СН—СОО"
О
Рис. 5-21. Ионизация и электрические заряды
пептидов. Группы, ионизирующиеся при рН 6,0,
выделены красным цветом. На рисунке
представлены катионная, изоэлектрическая
и анионная формы дипептида аланил-аланина.
Справа приведена структурная формула тетра-
пептида.
бодную а-карбоксильную группу, ко-
которые находятся в концевых остатках
(рис. 5-21). Эти группы ионизируются
в пептидах так же, как и в свободных
аминокислотах. Что же касается а-ами-
ногрупп и а-карбоксильных групп
остальных аминокислот, входящих в со-
состав пептидов, то они не вносят никакого
вклада в кислотно-основные свойства
пептидов, поскольку эти группы вовле-
вовлечены в образование ковалентных пеп-
пептидных связей и уже не способны к иони-
ионизации. Однако R-группы некоторых ами-
аминокислот могут быть ионизированы (см.
табл. 5-4). Если такие аминокислоты вхо-
входят в состав пептида, то их R-группы вно-
вносят определенный вклад в его кислотно-
основные свойства (рис. 5-21). Таким
образом, кислотно-основные свойства
пептида в целом можно предсказать, ис-
исходя из наличия на концах цепи одной
свободной а-аминогруппы и одной сво-
свободной а-карбоксильной группы, а также
из природы и числа ионизируемых
R-групп. Как и свободные аминокис-
Аланил-глутамил-глицил-лизин - тетрапептид,
в котором два остатка содержат ионизируе-
ионизируемые R-группы
Ala
NH3
СН,
о=с
N—Н
Glu СН—СН2—СН2-СОО"
О=С
I
NH
ГЛу СН2
О=С
N—Н
|
Lys
|
СН—СНг—СН2—СН2—СН2
coo-
лоты, пептиды имеют характерные
кривые титрования и определенные изо-
электрические точки, т. е. такие значения
рН, при которых они не перемещаются
в электрическом поле.
Несмотря на то что при неполном ги-
гидролизе белков образуется очень боль-
большое число различных пептидов, их
сложные смеси можно разделять с по-
помощью ионообменной хроматографии
или электрофореза либо сочетанием обо-
обоих этих методов, поскольку при раз-
различных значениях рН пептиды обладают
разными кислотно-основными свойства-
свойствами и неодинаковой полярностью.
5.22. Химические реакции,
характерные для пептидов
Как и другие органические соединения,
пептиды могут вступать в химические ре-
реакции, определяемые наличием в них не
только функциональных групп, например
свободных аминогрупп и карбоксильных
групп, но и R-rpynn.
Следует отметить две особенно
важные реакции, характерные для пепти-
пептидов. Прежде всего это гидролиз пеп-
пептидных связей путем кипячения раство-
растворов пептидов в присутствии сильной
кислоты или щелочи, в результате чего
образуются свободные аминокислоты
5-767
130
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЬКУЛЫ
Н
Н Н
н
н
R,—С С—N—С—СОО-
I II I
NH, О R,
нго
Ri— С—COO" + R,—С—СОСГ
NH,
Осуществленный таким способом гидро-
гидролиз пептидных связей-это необходимый
шаг в определении аминокислотного со-
состава белков и последовательности со-
составляющих их аминокислотных остат-
остатков. Пептидные связи могут быть гидро-
лизованы также под действием неко-
некоторых ферментов, таких, как трипсин
и химотрипсин, представляющие собой
протеолитические (белок-расщепляю-
щие) ферменты, секретируемые в кишеч-
кишечник и способствующие перевариванию,
т. е. гидролитическому расщеплению,
белков, входящих в состав пищи. Если
кипячение пептидов с кислотой или ще-
щелочью приводит к гидролизу всех пеп-
пептидных связей независимо от природы
и последовательности соединенных при
их помощи аминокислотных звеньев, то
трипсин и химотрипсин осуществляют
каталитическое расщепление пептидов
избирательным образом. Трипсин гид-
ролизует только те пептидные связи,
в образовании которых участвуют кар-
карбоксильные группы лизина или аргинина.
Химотрипсин же атакует только те пеп-
пептидные связи, которые были образованы
с участием карбоксильных групп фенил-
аланина, триптофана и тирозина. Как мы
увидим дапьше, такой избирательный
ферментативный гидролиз оказывается
очень полезным при анализе аминокис-
аминокислотных последовательностей белков
и пептидов.
Другая важная химическая реакция,
в которую вступают пептиды и которая
тоже используется для определения ами-
аминокислотной последовательности,- это
реакция с 1-фтор-2,4-динитробензолом.
Мы уже видели (см. рис. 5-17), что это со-
соединение реагирует с а-аминогруппой
свободной аминокислоты с образова-
образованием 2,4-динитрофениламинокислоты.
Этот реагент вступает в реакцию и с а-
аминогруппой аминоконцевого остатка
любого пептида независимо от длины
пептидной цепи, что приводит к образо-
NH3
NO,,
¦А СН
соон
2,4-динитрофенил тетрапептид
Рис. 5-22. Введение метки в аминоконцевой
остаток тетрапептида. Меткой служи!
1-фтор-2,4-динитробензол(ФДНБ).
ванию динитрофенилпептида. При помо-
помощи этой реакции можно пометить амино-
аминоконцевой остаток пептида (рис. 5-22).
В гл. 6 мы увидим, как эта и другие реак-
реакции, позволяющие пометить аминокон-
аминоконцевой остаток пептида, используются
для определения аминокислотной после-
последовательности полипептидных цепей.
5.23. Некоторые пептиды
обладают высокой
биологической активностью
Кроме пептидов, образующихся в ре-
результате частичного гидролиза молекул
белка, существует много пептидов, ветре-
ГЛ. 5. АМИНОКИСЛОТЫ И ПЕПТИДЫ
131
чающихся в живых организмах как сво-
свободные соединения, не связанные со
структурой белков. Особенно интересен
тот факт, что многие свободные пептиды
обладают высокой биологической актив-
активностью. Например, к пептидам или поли-
полипептидам относится ряд гормонов. Гор-
Гормоны служат-химическими медиаторами,
вырабатываемыми специализированны-
специализированными секреторными клетками эндокринных
желез-поджелудочной железы, гипофиза
и надпочечников; с током крови гормоны
переносятся в другие ткани или органы
и регулируют их специфические функции.
Гормон инсулин, вырабатываемый Р-
клетками поджелудочной железы, посту-
поступает с кровью в другие органы, особенно
в печень и мышцы, где связывается с на-
находящимися на поверхности клеток ре-
цептор'ами и стимулирует способность
этих клеток использовать глюкозу в ка-
качестве метаболического топлива. Инсу-
Инсулин состоит из двух полипептидных це-
цепей, одна из которых содержит 30
аминокислотных остатков, а другая-21.
К полипептидным гормонам относится
также другой гормон поджелудочной же-
железы, глюкагон, действующий как антаго-
антагонист инсулина, и кортикотропин, выра-
вырабатываемый передней долей гипофиза
и стимулирующий функционирование
надпочечников. Кортикотропин состоит
из 39 аминокислотных остатков.
Молекулы некоторых гормонов пред-
представляют собой гораздо более короткие
пептидные цепи. В число таких гормонов
входят окситоцин (девять аминокис-
аминокислотных остатков) - гормон, синтези-
синтезируемый в задней доле гипофиза и стиму-
стимулирующий сокращение матки; брадики-
нин (девять остатков)-гормон, по-
подавляющий воспалительные процессы
в тканях, и тиреолиберин (три остатка),
синтезируемый в гипоталамусе и стиму-
стимулирующий синтез другого гормона,
тиреотропина (тиреотропного гормона),
вырабатываемого передней долей гипо-
гипофиза (рис. 5-23). Особого упоминания за-
заслуживают энкефалины-короткие пеп-
пептиды, синтезируемые в центральной
нервной системе. Связывание энкефали-
нов со специфическими рецепторами не-
некоторых клеток мозга приводит к аналге-
ArgProProGlyPheSer-ProPhe-Arg
А
CysTyrlleGInAsnCysProLeu-
Б
н2с-
-сн2
*cv:;
н сн, »f.
-С—N—С—С—N
о но )с-сн2
н с=о
Пироглутаммювая
кислота
Гистидин Пролинамид
Tyr-GlyGIy-Phe-Met
Tyr-GlyGIyPhe-Leu
D-Phe^ L-Leu^ L-Orn-* L-Val-* L-Pro
T 4
l-Рго <—L-Val <—L-Orn <—L-Leu <—D-Phe
Д
Рис. 5-23. Некоторые природные пептиды,
обладающие высокой биологической актив-
активностью. Аминоконцевые остатки находятся
слева. А. Брадикидин-гормоноподобный пеп-
пептид с противовоспалительной активностью. Б.
Окситоцин - гормон, образующийся в задней
доле гипофиза. На цветном фоне-остаток гли-
цинамида (NH2CH2CONH2). В. Тиреолиберин-
гормон, образующийся в гипоталамусе. Г. Энке-
Энкефалины - пептиды мозга с опиатоподобной ак-
активностью. Д. Грамицидин С-антибиотик.
Стрелки указывают направление от аминокон-
цевого к карбоксиконцевому остатку. Огп - обо-
обозначение орнитина - аминокислоты, не встре-
встречающейся в белках. Обратите внимание, что
в состав грамицидина С входят два остатка
D-аминокислоты.
зии, т.е. ослаблению болевых ощущений.
Энкефалины (что значит «находящиеся
в голове») представляют собой наркоти-
наркотики (опиаты), вырабатываемые самим ор-
организмом; они связываются с теми же
участками мозга, что и морфин, героин
и другие наркотические вещества. К пеп-
132
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
тидам относятся и некоторые очень ток-
токсичные ядовитые вещества, содержащие-
содержащиеся в грибах, в частности аманитин,
а также многие антибиотики, которые
можно рассматривать как своего рода
«химическое оружие», производимое од-
одними микроорганизмами и «убивающее»
другие микроорганизмы.
Особенно примечательно, что все эти
пептиды, оказывающие столь сильное
биологическое воздействие, состоят из
аминокислот, которые сами по себе
являются совершенно безвредными не-
нетоксичными соединениями. Отсюда ясно,
что биологическая активность и специ-
специфичность действия пептидов и полипеп-
полипептидов полностью определяются последо-
последовательностью составляющих их амино-
аминокислотных остатков.
Краткое содержание главы
Каждая из 20 аминокислот, которые
обычно обнаруживают как продукты ги-
гидролиза белков, содержит а-карбоксиль-
ную группу, а-аминогруппу и специ-
специфическую для данной аминокислоты
R-группу, замещающую водород при
ос-атоме углерода. а-Атом углерода во
всех аминокислотах (за исключением
глицина) является асимметрическим, и,
следовательно, каждая из этих аминокис-
аминокислот может существовать по меньшей ме-
мере в двух стереоизомерных формах.
В белках встречаются только L-стереои-
зомеры, соответствующие по своей кон-
конфигурации L-глицеральдегиду. Класси-
Классификация аминокислот основана на разли-
различиях в полярности их R-групп. К классу
неполярных аминокислот принадлежат
аланин, лейцин, изолейцин, валин, про-
лин, фенилаланин, триптофан и метио-
нин. В класс полярных нейтральных ами-
аминокислот входят глицин, серии, треонин,
цистеин, тирозин, аспарагин и глутамин.
Класс отрицательно заряженных
(кислых) аминокислот включает аспара-
гиновую и глутаминовую кислоты,
а класс положительно заряженных (ос-
(основных) аминокислот-аргинин, лизин
и гистидин.
При низких значениях рН моноами-
номонокарбоновые аминокислоты пред-
представляют собой двухоснбвные кислоты
(+NH3CHRCOOH). При повышении рН
примерно до 6, т. е. до изоэлектрической
точки, от карбоксильной группы отще-
отщепляется протон, что приводит к образо-
образованию цвиттерионов-электрически ней-
нейтральных биполярных ионов типа
+NH3CHRCOO". В результате дальней-
дальнейшего повышения рН происходит отще-
отщепление второго протона с образованием
ионов типа NH2CHRCOO~. Аминокис-
Аминокислоты с ионизируемыми R-группами мо-
могут существовать и в других ионных фор-
формах, образование которых зависит от рН.
При взаимодействии аминокислот с нин-
гидрином образуются окрашенные про-
продукты. Для разделения сложных смесей
аминокислот, а также для идентифика-
идентификации и определения количества разде-
разделенных аминокислот используют ме-
методы электрофореза и ионообменной
хроматографии.
Аминокислоты, ковалентно соеди-
соединенные друг с другом при помощи пеп-
пептидных связей, образуют пептиды, ко-
которые могут быть получены также как
продукты неполного гидролиза полипеп-
полипептидов. Кислотно-оснбвные свойства пеп-
пептида определяются его концевыми NH2-
и СООН-группами, а также входящими
в его состав ионизируемыми R-группами.
При полном гидролизе пептидов обра-
образуются свободные аминокислоты. Взаи-
Взаимодействие аминоконцевого остатка пеп-
пептида с 1-фтор-2,4-динитробензолом при-
приводит к образованию производного,
имеющего характерную желтую окраску.
Некоторые пептиды присутствуют в сво-
свободном состоянии в клетках и тканях
и выполняют специфические биологиче-
биологические функции. К ним относятся многие
гормоны, антибиотики и другие соедине-
соединения, обладающие высокой биологичес-
биологической активностью.
ЛИТЕРАТУРА
Cantor С. R., Schimmel P.R. Biophysical
Chemistry, pt. I. The Conformation of
Biological Macromolecules, Freeman, San
Francisco, 1980. Прекрасный учебник, в ко-
котором рассматриваются свойства биологи-
биологических макромолекул и составляющих их
строительных блоков.
ГЛ. 5. АМИНОКИСЛОТЫ И ПЕТИДЫ
133
Cooper Т. G. The Tools of Biochemistry, Wiley,
New York, 1977. Теория и практические ука-
указания по хроматографии и электрофорезу
аминокислот.
Corrigan J. Т. D-Amino Acids in Animals,
Science, 164, 142-148 A969).
Dickerson R.E., Geis I. Proteins: Structure,
Function and Evolution, 2d ed,
Benjamin/Cummings, Menlo Park, Calif,
1983.
Haschemeyer R., Haschemeyer A.H. Proteins:
A Guide to Study by Physical and Chemical
Methods, Wiley, New York, 1973.
Lehninger A. L. Biochemistry, 2d ed., Worth, New
York, 1975. Главы 4 и 5 содержат более под-
подробное описание свойств аминокислот
и пептидов.
Meister A.: Biochemistry of the Amino Acids, 2d
ed, 2 vols. Academic, New York, 1965. Энци-
Энциклопедическое изложение вопросов, касаю-
касающихся свойств и распространения амино-
аминокислот, а также их участия в процессах
метаболизма живых организмов.
Segel I. H. Biochemical Calculations, 2d ed.,
Wiley, New York, 1976.
Вопросы и задачи
1. Удельное оптическое вращение аминокис-
аминокислоты, выделенной из арбуза. Аминокисло-
Аминокислота цитруллин впервые была выделена из
арбуза (Citrullus vulgaris), но она присут-
присутствует и в большинстве животных тканей.
Хотя цитруллин не входит в состав бел-
белков, он служит предшественником арги-
аргинина, а также мочевины-экскретируемого
конечного продукта метаболизма амино-
аминогрупп. Структурная формула цитруллина
выглядит следующим образом:
СН2СН2СН2—NH—С—NH2
Н — С — NH2 °
СООН
При 25СС стеклянная трубка длиной 20 см,
заполненная 5%-ным раствором цитрул-
цитруллина в 0,3 н. НС1, вращает плоскость поля-
поляризации света на 1,79° вправо. Какова ве-
величина удельного оптического вращения
цитруллина? Можно ли по удельному вра-
вращению цитруллина определить, является
ли он D- или L-аминокислотой?
2. Абсолютная конфигурация цитруллина.
Какую конфигурацию (D или L) имеет вы-
выделенный из арбуза цитруллин (см. фор-
формулу, приведенную в предыдущем вопро-
вопросе)? Дайте обоснованный ответ.
3. Соотношение между структурой и хими-
химическими свойствами аминокислот. По-
Поскольку аминокислоты служат строи-
строительными блоками белков, знание их
структуры и химических свойств имеет
первостепенное значение для понимания
того, как белки выполняют свои биологи-
биологические функции. Ниже приведены струк-
структурные формулы боковых цепей (R-rpynn)
16 аминокислот (Ala, Arg, Asn, Asp, Cys,
Glu, Gly, His, Lys, Met, Phe, Pro, Ser, Trp,
Туг и Val). Назовите аминокислоты, ко-
которым принадлежат изображенные здесь
R-группы. Какие из перечисленных ниже
свойств характерны для каждой из этих
аминокислот? Некоторые из этих свойств
можно использовать для характеристики
более чем одной аминокислоты.
Свойства К-групп и соответствующих
аминокислот.
Н
1) —Н 2) —СН3 3) —С—СН3
\
СН,
4) —СН2ОН
5) —СН2—СН2—CHs—
О
9) — СН2—С
О
10) —СН2—СН2—С
О
V
11) —СН2—СН2—S—СН3
12) —СН2—SH
13) — СН2
134
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
н
14) —СН2—СН2—СН2—N
\
С—NH2
Н
15) —СН2—СН2—СН2—СН2—NH3
16) —СН2—С—NH2
О
а) Небольшая полярная R-группа, содер-
содержащая гидроксильную группу. Соответ-
Соответствующая аминокислота играет важную
роль в функнионировании активных
центров некоторых ферментов.
б) R-группа создает наименьшие
стерические ограничения.
в) R-группа имеет рК' х 10,5 и при физио-
физиологических значениях рН несет положи-
положительный заряд.
г) Серусодержащая R-группа; нейтральна
при всех значениях рН.
д) Ароматическая R-группа; имеет гидро-
гидрофобную природу и нейтральна при всех
значениях рН.
е) R-группа, представляющая собой оста-
остаток насыщенного углеводорода; вносит
важный вклад в гидрофобные взаимо-
взаимодействия.
ж) Единственная аминокислота, содержа-
содержащая ионизируемую R-группу с величи-
величиной рК', близкой к 7. Играет важную
роль в функционировании активных
центров ряда ферментов.
з) Единственная аминокислота, содержа-
содержащая замешенную а-аминогруппу.
Влияет на процесс свертывания белко-
белковой цепи, так как служит местом вынуж-
вынужденного изгиба цепи.
и) R-группа имеет величину рК' около 4
и при рН 7 несет отрицательный заряд.
к) Ароматическая R-группа, способная
участвовать в образовании водородных
связей; имеет величину рК', близкую
к 10.
л) Образует дисульфидные поперечные
связи между полипептидными цепями;
величина рК' функциональной группы
близка к 8.
м) R-группа с величиной pK'xi2; несет
положительный заряд при всех
физиологических значениях рН. В неко-
некоторых белках играет важную роль
в связывании отрицательно заряженных
фосфатных групп.
н) Если эту полярную, но незаряженную
R-rpynny подвергнуть гидролизу, то со-
содержащая ее аминокислота превращает-
превращается в другую аминокислоту с отрица-
отрицательно заряженной R-группой при рН
около 7.
4. Связь между кривой титрования и кислот-
кислотно-основными свойствами глицина. 0,1
М раствор глицина A00 мл), имеющий рН
1,72, был оттитрован 2 М раствором
NaOH. В ходе титрования производилась
регистрация рН. полученные данные были
отложены на графике, представленном на
рисунке. Наиболее важные точки на гра-
графике обозначены римскими цифрами от
I до V. Какую из этих пяти точек на кри-
кривой титрования следует указать, отвечая
на поставленные ниже вопросы? Поясните
свой выбор.
Задача 4
10,0
8,0
6,0
4,0
2,0
J:
72
0
11,30 VI
- 9,60 ^г^^У
1
=——- от
г- /|
2,34 J I
1 1
i I
0,005 0,010 0,015 0,020
Число молей Na ОН
а) Какая точка соответствует рН, при ко-
котором в 0,1 М растворе глицина эта
аминокислота существует в форме ио-
ионов + NH3—CH2 COOH?
б) В какой точке средний суммарный за-
1
ряд молекулы глицина равен + ~г-?
в) В какой точке аминогруппы ионизиро-
ионизированы у половины молекул глицина?
г) В какой точке значение рН равно вели-
величине рК' ионизации карбоксильной
группы глицина?
д) В какой точке значение рН равно вели-
величине рК' ионизации протонированной
аминогруппы (—NH3) глицина?
е) В какой точке глицин обладает макси-
максимальной буферной емкостью?
ГЛ. 5. АМИНОКИСЛОТЫ И ПЕПТИДЫ
135
ж) В какой точке средний суммарный за-
заряд глицина равен нулю?
з) В какой точке карбоксильная группа
глицина оказывается полностью отти-
оттитрованной (первая точка эквивалентно-
эквивалентности)?
и) В какой точке ионизирована половина
карбоксильных групп?
к) В какой точке глицин полностью отти-
оттитрован (вторая точка эквивалентности)?
л) В какой точке глицин существует пре-
+
имущественно в форме ионов H3N—
—СН2—СОСГ?
м) В какой точке молекулы глицина пре-
превращаются на 50% в ионы
H3N- СН2 СОО и на 50% в ионы
H2N—СН2—СОО"?
н) В какой точке средний суммарный за-
заряд молекулы глицина равен — 1 ?
о) В какой точке 50% молекул глицина
+
превращаются в ионы H3N —СН2—
— СООН, а остальные
+
50%-в ионы H,N—СН2-СОО"?
п) Какой точке соответствует изоэлектри-
ческая точка глицина?
р) В какой точке средний суммарный за-
заряд глицина равен ?
с) Какой точке соответствует конец ти-
титрования?
т) Для того чтобы использовать глицин
в качестве эффективного буфера, необ-
необходимо знать, при каких значениях рН
раствор глицина обладает минималь-
минимальной буферной емкостью. Укажите на
кривой титрования глицина соответ-
соответствующие точки.
у) В какой точке в ходе титрования пре-
преобладающей формой глицина становят-
становятся ионы H2N-CH2-COO?
5. Какую долю составляют полностью неза-
незаряженные формы глицина? При значении
рН, соответствующем изоэлектрической
точке, суммарный заряд глицина равен ну-
нулю. Хотя нулевой суммарный заряд
имеют две формы глицина (биполярная
и незаряженная), его преобладающей фор-
формой в изоэлектрической точке является
биполярная.
а) Объясните, почему в изоэлектрической
точке глицин представлен главным
образом биполярной, а не полностью
незаряженной формой.
б) Определите долю молекул глицина, ко-
которые в изоэлектрической точке нахо-
находятся в полностью незаряженной фор-
форме. Приведите свои соображения
в пользу сделанной оценки.
Задача 5
I °
H3N—С—С
IT О
Биполярная форма
(цвиттериои)
I S
H2N—С—С
Н
ОН
Незаряженная форма
6. Состояние ионизации аминокислот. Каж-
Каждая ионизируемая группа аминокислоты
может находиться в одном из двух состоя-
состояний-заряженном или нейтральном. Элек-
Электрический заряд на функциональной груп-
группе определяется соотношением между
величиной рК' этой группы и значением
рН раствора. Это соотношение описы-
описывается уравнением Хендерсона-Хассель-
баха.
а) Гистидин имеет три ионизируемые
функциональные группы. Напишите
уравнения для трех соответствующих
процессов ионизации гистидина и ука-
укажите примерные величины констант
равновесия (рК'), характеризующих
каждый из этих процессов. Нарисуй ге
структуру гистидина во всех трех со-
состояниях ионизации. Какой суммарный
заряд имеет молекула гистидина в каж-
каждом из состояний ионизации?
б) Нарисуйте ионные структуры гисти-
гистидина, преобладающие при рН 1,4,8 и 12;
учтите, что состояние ионизации мож-
можно определить, рассматривая каждую
ионизируемую группу независимо от
остальных.
в) Каков суммарный заряд молекулы
гистидина при рН 1,4, 8 и 12? Куда бу-
будет двигаться гистидин при каждом из
этих значений рН в ходе электрофоре-
электрофореза-к аноду ( + ) или катоду (-)?
7. Приготовление глицинового буфера. Рас-
Раствор глицина часто применяют в ка-
качестве буфера. Для приготовления
0,1 М глицинового буфера используют
0,1 М растворы солянокислого глицина
(+NH3—СН2—СООНСГ) и глицина
(+NH3—СН2—СООН~)-две формы
глицина, имеющиеся в продаже. Какие
объемы этих двух растворов следует сме-
смешать, чтобы приготовить I л 0,1 М глици-
глицинового буфера, имеющего рН 3,2?
8. Электрофорез аминокислот на бумаге.
Каплю раствора, содержащего смесь гли-
глицина, аланина, глутаминовой кислоты, ли-
136
ЧАСТЬ I. БИОМОЛЕКУЛЫ
зина, аргинина и гистидина, нанесли на се-
середину полоски бумаги и дали ей высох-
высохнуть. Затем бумагу смочили буфером с рН
6,0 и к концам полоски приложили элек-
электрическое напряжение.
а) Какая аминокислота(ы) будет двигать-
двигаться к аноду?
б) Какая аминокислота(ы) будет двигать-
двигаться к катоду?
в) Какая аминокислота(ы) останется на
стартовой точке или вблизи нее?
9. Разделение аминокислот методом ионооб-
ионообменной хроматографии. Анализ смеси
аминокислот начинают с разделения этой
смеси на компоненты методом ионооб-
ионообменной хроматографии. Небольшое коли-
количество смеси вносят в верхнюю часть ко-
колонки, заполненной частицами полисти-
полистирола, содержащими остатки сульфоновой
кислоты (см. рис. 5-14). Затем через колон-
колонку пропускают буферный раствор. Амино-
Аминокислоты проходят через колонку с разны-
разными скоростями, поскольку их движение
тормозят два фактора: 1) электростатиче-
электростатическое притяжение между отрицательно за-
заряженными остатками сульфоновой кис-
кислоты и положительно заряженными функ-
функциональными группами аминокислот и 2)
гидрофобное взаимодействие между бо-
боковыми цепями аминокислот и сильно ги-
гидрофобным остовом полистирольной
смолы. Для каждой из выписанных ниже
пар аминокислот определите, какая ами-
аминокислота данной пары будет сходить
с колонки первой (т.е. испытывать на-
наименьшее торможение) при пропускании
через колонку буфера с рН 7,0.
а) Asp и Lys
б) Arg и Met
в) GIu и Val
г) Gly и Leu
д) Ser и Ala
10. Набор трипептидов. Предположим, что вы
хотите синтезировать трипептиды, ис-
используя в качестве строительных блоков
глицин, аланин и серии.
а) Сколько различных трипептидов мож-
можно приготовить при условии, что любая
из этих трех аминокислот может зани-
занимать любое из трех возможных положе-
положений, причем каждую аминокислоту
можно использовать более одного
раза?
б) Сколько различных трипептидов мож-
можно приготовить, если использовать
каждую аминокислоту только один раз?
11. Обозначение оптических изомеров изо-
лейцина. Структурная формула изолей-
цина изображена ниже
Задача 11
СООН
I
H,N—С—Н
Н—С—СН:!
СНо
СН:1
Иэолейцин
а) Сколько хиральиых центров имеет мо-
молекула изолейцина?
б) Сколько оптических изомеров может
быть у изолейцина?
в) Нарисуйте перспективные формулы
всех оптических изомеров изолейцина.
г) Как вы обозначите каждый из этих
изомеров в рамках RS-системы? (Указа-
(Указание: по своему приоритету группа
CH3CHJ занимает промежуточное по-
положение между группами С6Н^" и СН3.
12. Сравнение величин рК' аминокислоты
в свободном виде и в составе пептидов.
Кривая титрования аминокислоты ала-
нина отражает процессы ионизации двух
функциональных групп с рК' 2,34 и 9,69,
что отвечает ионизации соответственно
карбоновой кислоты и протонированного
амина. Титрование ди-, три- и олигопепти-
дов аланина, содержащих более четырех
остатков этой аминокислоты, свидетель-
свидетельствует об ионизации только двух функцио-
функциональных групп, хотя экспериментально
найденные величины их рК' различны.
Аминокислота или пептид
Ala
Ala-Ala
Ala-Ala-Ala
А1а-(А1а)„-А1а, n > 4
2,34
3,12
3,39
3,42
9,69
8,30
8,03
7,94
а) Нарисуйте структурную формулу пеп-
пептида Ala-AIa-AIa. Укажите функцио-
функциональные группы, которым соответ-
соответствуют величины рК,' и рК^-
б) При переходе от Ala к олигопептидам,
состоящим из остатков Ala, величина
pK'i возрастает. Объясните, почему это
происходит?
в) При переходе от Ala к олигопептидам,
состоящим из остатков Ala, величина
рК.2 уменьшается. Объясните причину
этого.
ГЛАВА 6
БЕЛКИ: КОВ АЛ БИТНАЯ СТРУКТУРА
И БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ
Белки, или протеины (что в переводе
с греческого означает «первые» или «важ-
«важнейшие»), количественно преобладают
над всеми другими макромолекулами,
присутствующими в живой клетке, и со-
составляют более половины сухого веса
большинства организмов. В предыдущей
главе мы рассматривали аминокис-
аминокислоты-структурные элементы белков-и
простые пептиды, состоящие из неболь-
небольшого числа аминокислотных остатков,
соединенных друг с другом пептидными
связями. Теперь мы займемся структурой
белков, молекулы которых представляют
собой очень длинные полипептидные це-
цепи, построенные из многих аминокис-
аминокислотных звеньев.
Белки служат теми инструментами, по-
посредством которых генетическая инфор-
информация получает свое реальное воплоще-
воплощение. В соответствии с тем что
в клеточном ядре содержатся тысячи ге-
генов, каждый из которых определяет ка-
какой-то один характерный признак живо-
живого организма, в клетке существуют
тысячи разновидностей белков и каждый
из них выполняет специфическую функ-
функцию, определяемую соответствующим
геном. Таким образом, белки-это не
только наиболее многочисленные, но
и исключительно разнообразные по
своим функциям макромолекулы.
Особенно поразительно то, что все
белки во всех организмах, независимо от
их функции или биологической активно-
активности, построены из одного и того же ос-
основного набора 20 стандартных амино-
аминокислот, каждая из которых, взятая
в отдельности, не обладает никакой био-
биологической активностью. Что же тогда
придает одному белку ферментативную
активность, другому-гормональную,
а третьему-свойства антитела? Как бел-
белки различаются химически? Ответ до-
довольно прост: белки отличаются друг от
друга тем, что каждый имеет свою, ха-
характерную для него одного последова-
последовательность аминокислотных звеньев.
Аминокислоты-это алфавит белковой
структуры; соединив их в различном по-
порядке, можно получить почти бесконеч-
бесконечное число последовательностей и, значит,
почти бесконечное множество разно-
разнообразных белков (см. дополнение 6-1).
Дополнение 6-1. Сколько может существовать
аминокислотных последовательностей ?
У каждого вида организмов имеются тысячи различных белков,
а число самих видов, вероятно, составляет около 10 миллионов. Мож-
Можно ли всего из 20 аминокислот построить, скажем, 101' (или более) раз-
различных последовательностей?
Ответ дает чисто математический расчет. Дипептид, состоящий из
двух разных аминокислот, в зависимости от порядка их расположения
может иметь две изомерные формы. Трипептид, состоящий из трех
138 ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
различных аминокислот-А, В и С-может существовать в шести раз-
различающихся по последовательности вариантах: ABC, АСВ, ВАС, ВСА,
CAB и СВА. Общее выражение, позволяющее рассчитать число воз-
возможных последовательностей для выстроенных в ряд различных пред-
предметов, записывается как п\ (читается «эн факториал»), где и-число
предметов. Тетрапептид из четырех разных аминокислот может иметь
4! = 4 ¦ 3 ¦ 2 • 1 =24 различные последовательности. Для полипептида из
20 различных аминокислот, ни одна из которых не повторяется в нем
дважды, число последовательностей составит 20! = 20-19-18..., что
даст в результате громадную цифру, равную примерно 2-1018. Но это
ведь очень короткий полипептид, состоящий всего из 20 остатков
и имеющий молекулярную массу около 2600. Если же взять белок с мо-
молекулярной массой 34 000, в котором 12 различных аминокислот пред-
представлены в равных соотношениях, то получится 10300 возможных по-
последовательностей. Если теперь допустить, что этот белок построен из
20 различных аминокислот, представленных в равных соотношениях,
то число возможных последовательностей будет еще намного больше.
Если бы существовало только по одной молекуле каждого из этих воз-
возможных изомеров такого белка, то общий вес всех этих молекул значи-
значительно превысил бы вес Земли!
Таким образом, двадцать аминокислот могут дать достаточное чис-
число последовательностей, чтобы их хватило не только для тысяч белков,
присутствующих у каждого из ныне существующих видов организмов,
но и для белков всех тех видов, которые когда-либо существовали
в прошлом и появятся в будущем. Живущие сейчас на Земле виды со-
составляют, по имеющимся оценкам, примерно одну тысячную всех ви-
видов, существовавших ранее на нашей планете. Молекулярная логика
аминокислот и белков в достаточной степени предусматривает воз-
возможность возникновения новых видов, обусловленную дивергентной
природой биологической эволюции.
В этой главе мы рассмотрим первич- функции. Мы можем выделить несколько
ную структуру белковых молекул, под основных классов белков (табл. 6-1) в со-
которой мы подразумеваем ковалентную ответствии с их биологическими функ-
структуру остова молекулы и последова- циями (табл. 6-1).
тельность аминокислотных остатков.
Мы обсудим также некоторые соотноше- а. Ферменты
ния между аминокислотной последова-
последовательностью и биологической функцией. Самый многообразный и наиболее вы-
высокоспециализированный класс белков
6.1. Белки обладают множеством составляют ферменты-белки, обладаю-
различных биологических функций Щие каталитической активностью. Почти
все химические реакции, в которых уча-
Рассмотрим прежде всего в общих чер- ствуют присутствующие в клетке органи-
тах весь диапазон выполняемых белками ческие биомолекулы, катализируются
биологических функций. Ведь одна из ферментами. К настоящему времени от-
отважнейших задач современной биохимии крыто более 2000 различных ферментов,
как раз и состоит в том, чтобы понять, обнаруженных у разных организмов;
каким образом аминокислотные после- каждый из этих ферментов служит ката-
довательности разных белков дают им лизатором какой-то определенной хими-
возможность выполнять различные ческой реакции.
ГЛ. 6. БРЛКИ: КОВАЛЕНТНАЯ СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ
139
Таблица 6-1. Классификация белков, основан-
основанная на их биологических функциях
Класс белков
Ферменты
Транспортные
белки
Пищевые и
запасные белки
Сократительные и
двигательные бел-
белки
Структурные
белки
Защитные белки
Регуляторные
белки
Пример
Рибонуклеаза
Трипсин
Гемоглобин
Сывороточный
альбумин
Миоглобин
Pj-липопротеин
Глиадин (пшеница)
Яичный альбумин
(яйцо)
Казеин (молоко)
Ферри гин
Актин
Миозин
Тубулин
Динеин
Кератин
Фиброин
Коллаген
Эластин
Протеогликаны
Антитела
Фибриноген
Тромбин
Ботулинический
токсин
Дифтерийный ток-
токсин
Змеиные яды
Рицин
Инсулин
Гормон роста
Кортикотропин
Реп рессоры
б. Транспортные белки
Транспортные белки плазмы крови
связывают и переносят специфические
молекулы или ионы из одного органа
в другой. Гемоглобин, содержащийся
в эритроцитах, при прохождении крови
через легкие связывает кислород и до-
доставляет его к периферическим тканям,
где кислород высвобождается и исполь-
используется для окисления компонентов пи-
пищи-процесса, в ходе которого произво-
производится энергия. Плазма крови содержит
липопротеины, осуществляющие перенос
липидов из печени в другие органы.
В клеточных мембранах присутствует
еще один тип транспортных белков, спо-
способных связывать глюкозу, аминокис-
аминокислоты и другие пищевые вещества и пере-
переносить их через мембрану внутрь клетки.
в. Пищевые и запасные белки
В семенах многих растений запасены
пищевые белки, потребляемые на первых
стадиях развития зародыша. Наиболее
известными примерами таких белков
служат белки семян пшеницы, кукурузы
и риса. К пищевым белкам относится
также яичный альбумин-основной ком-
компонент яичного белка, и казеин, главный
белок молока. В ферритине, встречаю-
встречающемся в животных тканях, запасено же-
железо.
г. Сократительные
и двигательные белки
Некоторые белки наделяют клетку или
организм способностью сокращаться, из-
изменять форму или передвигаться. Актин
и миозин представляют собой ните-
нитевидные белки, функционирующие в со-
сократительной системе скелетной мышцы,
а также во многих немышечных клетках
(разд. 2.13). Другим примером таких бел-
белков служит тубулин — белок, из которого
построены микротрубочки. Они являют-
являются важными элементами ресничек и жгу-
жгутиков (разд. 2.14). при помощи которых
клетки передвигаются.
д. Структурные белки
Многие белки образуют волокна, на-
навитые друг на друга или уложенные пло-
плоским слоем; они выполняют опорную
или защитную функцию, скрепляя биоло-
биологические структуры и придавая им проч-
прочность. Главным компонентом хрящей
и сухожилий является фибриллярный бе-
белок коллаген, имеющий очень высокую
прочность на разрыв. Выделанная кожа
представляет собой почти чистый колла-
коллаген. Связки содержат элястиын-струк-
140
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
турный белок, способный растягиваться
в двух измерениях. Волосы, ногти и перья
состоят почти исключительно из прочно-
прочного нерастворимого белка кератина.
Главным компонентом шелковых нитей
и паутины служит белок фиброин.
е. Защитные белки
Многие белки защищают организм от
вторжения других организмов или пре-
предохраняют его от повреждений. Иммуно-
Иммуноглобулины, или антитела, образующиеся
у позвоночных,-это специализированные
белки, вырабатываемые в лимфоцитах;
они обладают способностью распозна-
распознавать проникшие в организм бактерии, ви-
вирусы или чужеродные белки других ви-
видов, а затем нейтрализовать их или
связываться с ними, вызывая образова-
образование осадка. Фибриноген и тромбин-бел-
тромбин-белки, участвующие в процессе свертывания
крови; они предохраняют организм от
потери крови при повреждении сосуди-
сосудистой системы. Змеиные яды, бакте-
бактериальные токсины и токсичные белки рас-
растений, например рицин, по-видимому,
также выполняют защитные функции.
ж. Регуляторные белки
Некоторые белки участвуют в системе
регуляции клеточной или физиологиче-
физиологической активности. К ним относятся мно-
многие гормоны, такие, как инсулин, регули-
регулирующий обмен глюкозы (при недоста-
недостаточном его содержании в организме
развивается сахарный диабет); гормон
роста, синтезируемый в гипофизе, и пара-
тиреоидный гормон, регулирующий
транспорт ионов Са2 + и фосфатов. Дру-
Другие регуляторные белки, называемые
репрессорами, регулируют биосинтез
ферментов в бактериальных клетках.
з. Другие белки
Имеется много других белков, функ-
функции которых довольно необычны, что за-
затрудняет их классификацию. Монеллин-
белок, образующийся в одном из афри-
африканских растений, имеет очень сладкий
вкус. Он стал предметом изучения как не-
нетоксичное и не способствующее ожире-
ожирению вещество, которое может быть ис-
использовано вместо сахара для подслащи-
подслащивания пищи. Плазма крови некоторых
антарктических рыб содержит белки со
свойствами антифриза, предохраняющие
кровь этих рыб от замерзания. «Шар-
«Шарниры» в местах прикрепления крыльев
у ряда насекомых состоят из белка рези-
резилина, обладающего почти идеальной эла-
эластичностью.
Поразительно, что все эти белки, столь
различающиеся по свойствам и функ-
функциям, построены из одних и тех же 20
аминокислот.
6.2. Белки можно
классифицировать также
по форме их молекул
Белки могут быть разбиты на два
больших класса в соответствии с формой
их молекул и некоторыми физическими
свойствами: глобулярные и фибрил-
фибриллярные белки (рис. 6-1). В глобулярных
белках одна или большее число полипеп-
полипептидных цепей свернуты в плотную ком-
компактную структуру сферической, или гло-
глобулярной, формы. Обычно глобулярные
белки растворимы в водных системах
и легко диффундируют; одни из этих бел-
белков выполняют функции, обусловленные
их подвижностью, а другие функциони-
функционируют как динамические системы. К гло-
глобулярным белкам относятся почти все
ферменты, равно как и транспортные
белки крови, антитела и пищевые белки.
Фибриллярные белки представляют собой
нерастворимые в воде длинные ните-
нитевидные молекулы, полипептидные цепи
которых не имеют глобулярной формы,
а вытянуты вдоль одной оси. Большин-
Большинство фибриллярных белков выполняет
структурные или защитные функции. Ти-
Типичными фибриллярными белками
являются сс-кератин волос и шерсти,
фиброин шелка и коллаген сухожилий.
К этому классу относятся также ните-
нитевидные белки, присутствующие в сокра-
сократительных системах мышечных и немы-
немышечных клеток, например актин и мио-
миозин, а также протофиламенты, из ко-
которых построены микротрубочки.
ГЛ. 6. БЕЛКИ: КОВАЛЕНТНАЯ СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ
141
Рис. 6-1. Глобулярные и фибриллярные белки.
А. В глобулярных белках полипептидная цепь
свернута так, что образуется компактная струк-
структура. Эти белки обычно растворимы в водной
среде. Б. В кератине, фибриллярном белке волос,
полипептидные цепи вытянуты вдоль одной оси.
На рисунке показаны три молекулы кератина,
навитые одна на другую наподобие каната.
Фибриллярные белки нерастворимы в воде.
6.3. В ходе гидролиза белки
распадаются на аминокислоты
Многие белки получены в чистом кри-
кристаллическом виде. На рис. 6-2 показаны
кристаллы чистого трипсина, пищевари-
пищеварительного фермента, секретируемого в ки-
кишечник, и цитохрома с, митохондриаль-
Рис. 6-2. А. Кристаллы чистого цитохрома с, вы-
выделенного из сердца лошади. Цитохром с-это
белок, который служит переносчиком электро-
электронов в митохондриях. Б. Кристаллы бычьего
трипсина.
ного белка, играющего роль переносчика
электронов. При кислотном или щелоч-
щелочном гидролизе белки так же, как и про-
простые пептиды (разд. 5.22), расщепляются
с образованием смеси свободных амино-
аминокислот, входивших в состав этих белков
в качестве строительных блоков. Для
каждого индивидуального белка харак-
характерно определенное соотношение раз-
различных аминокислот, образующихся
в результате полного гидролиза этого
белка. В табл. 6-2 приведены данные о со-
составе смесей аминокислот, полученных
142
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
Таблица 6-2. Аминокислотный состав двух
белков
Указано число остатков каждой аминокис-
аминокислоты на одну молекулу белка
Аминокис-
Аминокислота
Цитохром с
человека
Химотрип-
синоген быка
Ala
Arg
Asn
Asp
Cys
Gin
Glu
Gly
His
He
Leu
Lys
Met
Phe
Pro
Ser
Thr
Trp
Тут
Val
Всего
6
2
5
3
2
2
8
13
3
8
6
18
3
3
4
2
7
1
5
3
104
22
4
15
8
10
10
5
23
2
10
19
14
2
6
9
28
23
8
4
23
245
при полном гидролизе цитохрома с и бы-
бычьего химотрипсиногена- неактивного
предшественника пищеварительного
фермента химотрипсина. Видно, что эти
два белка, выполняющие совершенно
разные функции, сильно различаются
и по относительному содержанию в них
различных аминокислот. 20 аминокислот
никогда не входят в состав белка в чкви-
молярных количествах. Одни аминокис-
аминокислоты встречаются в каждой молекуле
данного белка лишь по одному разу, тог-
тогда как другие значительно чаще. Более
того, далеко не все белки содержат все 20
аминокислот. Каждому индивидуально-
индивидуальному белку свойственно характерное для
него соотношение аминокислотных
строительных блоков.
6.4. Некоторые белки имеют
в своем составе не только
аминокислоты, но и другие
химические группы
Многие белки, например ферменты ри-
бонуклеаза и химотрипсин, состоят из
одних только аминокислот и никаких
других химических групп не содержат; их
называют простыми белками. Однако
есть белки, которые при гидролизе поми-
помимо аминокислот дают и другие химиче-
химические компоненты. Эти белки носят назва-
название сложных белков. Неаминокислотную
часть сложного белка обычно называют
его простетическоп группой. Сложные
белки классифицируются в зависимости
от химической природы их простетиче-
ских групп (табл. 6-3). Липопротеины со-
содержат липиды, в состав гликопротеинов
входят сахара (от греч. «glykos», что зна-
значит сладкий), а металлопротеины имеют
в своем составе тот или иной харак-
характерный для каждого из них металл, на-
например железо, медь или цинк. Обычно
простетическая группа белка играет важ-
важную роль при выполнении белком его
биологической функции.
Таблица 6-3. Сложные белки
Класс
Простетичес-
Простетическая группа
Пример
Липопротеи-
Липопротеины
Гликопроте-
ины
Фосфопроте-
ины
Гемопротеи-
ны
Флавопро-
теины
Металло-
Металлопротеины
Липиды
Углеводы
Фосфатные
группы
Гем (комп-
(комплекс железа
с протопор-
фирином)
Флавиновые
нуклеоти-
ды
Железо
Цинк
Р!-Липопро-
теин крови
у-Глобулин
крови
Казеин мо-
молока
Гемоглобин
Сукцинатде-
гидроге-
наза
Ферритин
Алкогольде-
гидрогена-
за
ГЛ. 6. БЕЛКИ: КОВАЛЕНТНАЯ СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ
143
6.5. Белки—это очень
крупные молекулы
Насколько длинными могут быть по-
полипептидные цепи'белков? Как следует
из табл. 6-2, цитохром с человека состоит
из 104 аминокислотных остатков, свя-
связанных в единую цепь; бычий химотрип-
синоген имеет в своем составе 245 амино-
аминокислотных звеньев. В полипептидных
цепях различных белков может содер-
содержаться самое разное число аминокис-
аминокислотных остатков от 100 до 1800 и более.
Белки-это не просто смеси полипепти-
полипептидов разной длины, с различным амино-
аминокислотным составом и различной после-
последовательностью аминокислот. Все моле-
молекулы данного индивидуального белка иден-
идентичны по аминокислотному составу,
последовательности аминокислотных
остатков и длине полипептидной цепи.
В одних белках имеется только одна
полипептидная цепь, тогда как в других,
олигомерных, белках-две или большее
число цепей (табл. 6-4). Например, фер-
фермент рибонуклеаза состоит из одной по-
полипептидной цепи, а гемоглобин-из
четырех.
Молекулярные массы белков, которые
можно определить различными физико-
химическими методами, лежат в диапа-
диапазоне примерно от 12 000 для малых бел-
белков, таких, как цитохром с, содержащий
лишь 104 аминокислотных остатка, до
10б и более для белков с очень длинными
полипептидными цепями или для белков,
состоящих из нескольких полипептидных
цепей. Молекулярные массы некоторых
типичных белков приведены в табл. 6-4.
По-видимому, не существует простых за-
закономерностей, связывающих молеку-
молекулярные массы белков с их функциями.
Например, ферменты очень сильно раз-
различаются по молекулярной массе.
Число аминокислотных остатков
в простых белках, не содержащих просте-
тических групп, можно приблизительно
оценить, поделив значение молекулярной
массы белка на 110. Хотя средняя моле-
молекулярная масса каждой из 20 аминокис-
аминокислот, содержащихся в белках, составляет
около 138, в большинстве белков пре-
преобладают аминокислоты меньшего раз-
Таблица 6-4. Молекулярные характеристики
некоторых белков
Мол. масса Число Число
остатков цепей
Инсулин (бы- 5 733 51 2
чий
Рибонуклеаза 13 683 124 1
(из поджелу-
поджелудочной железы
быка)
Лизоцим (из 13930 129 1
яичного белка)
Миоглобин (из 16890 153 1
миокарда ло-
лошади)
Химотрипсин 22600 241 3
(из поджелу-
поджелудочной железы
быка)
Гемоглобин 64500 574 4
(человека)
Сывороточный 68 500 ~ 550 1
альбумин (че-
(человека)
Гексокиназа (из 102000 ~ 800 2
дрожжей)
¦у-Глобулин 149900 - 1250 4
(лошади)
Глутаматде- 1000000 ~ 8300 ~ 40
гидрогенеза
(из печени бы-
быка)
мера, и поэтому их средняя молекуляр-
молекулярная масса оказывается ближе к 128.
Однако при образовании каждой пептид-
пептидной связи отщепляется молекула воды
(мол. масса 18,0) и, таким образом, сред-
средняя масса аминокислотного остатка со-
составляет 128 - 18 = 110. В табл. 6-4 при-
приведены данные о числе аминокислотных
остатков в различных белках.
6.6. Белки можно выделить
и подвергнуть очистке
Клетки содержат сотни, если не тысячи
различных белков, и для того чтобы
определить аминокислотный состав или
аминокислотную последовательность
того или иного белка, его прежде всего
144
ЧАСТЬ 1 БИОМОЛЕКУЛЫ
\
Периодическая
смена воды
Молекула белка Малые молекулы
Полупроницаемый диализ- Дистиллирован-
Дистиллированада
^
вода
необходимо получить в виде чистого пре-
препарата. Каким же образом один белок,
например какой-нибудь фермент, можно
отделить от сотен других белков, присут-
присутствующих в экстракте, полученном из
клеток или ткани, и добиться нужной
степени его чистоты?
Прежде всего, белки отделяют от низ-
низкомолекулярных веществ, содержащихся
в клеточном или тканевом экстракте, пу-
путем диализа (рис. 6-3). Крупные моле-
молекулы, такие, как молекулы белков,
остаются внутри диализного мешочка,
сделанного из материала, содержащего
ультрамикроскопические поры, напри-
например из целлофана. Если такой мешочек
с клеточным или тканевым экстрактом
погрузить в воду, то содержащиеся в эк-
экстракте малые молекулы, например соли,
пройдут сквозь поры, а высокомолеку-
высокомолекулярные белки останутся в мешочке.
После того как смесь белков будет ос-
освобождена от малых молекул в ходе диа-
диализа, белки можно рассортировать по их
размерам при помощи гель-фильтрации.
В ходе этой операции, представляющей
Рис. 6-3. Диализ. Мембрана, окружающая рас-
раствор белка, свободно пропускает воду и низко-
низкомолекулярные соединения, такие, как NaCl или
глюкоза, но не пропускает большие молекулы,
в частности молекулы белка. Малые молекулы
диффундируют из диализного мешочка во внеш-
внешний сосуд, так как в процессе диффузии моле-
молекулы стремятся перейти в зону с более низкой их
концентрацией. Заменяя несколько раз водную
фазу во внешнем сосуде на дистиллированную
воду, можно снизить концентрацию низкомоле-
низкомолекулярных соединений в растворе белка до сколь
угодно малой величины.
собой разновидность хроматографии,
раствор, содержащий смесь белков, про-
пропускают через колонку, заполненную
очень мелкими пористыми гранулами
высокогидратированного полимера. Мо-
Молекулы белков, имеющие сравнительно
небольшие размеры, проникают через
поры внутрь этих гранул, в результате че-
чего их прохождение через колонку замед-
замедляется (рис. 6-4), тогда как молекулы бо-
более крупных белков не могут проникнуть
внутрь гранул и проходят через колонку
значительно быстрее. Белки промежу-
промежуточных размеров будут проходить через
ГЛ. 6. БЕЛКИ: КОВАЛЕНТНАЯ СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ
Гранула декстрана
Гранула
декстрана
145
Молекулы более круп- Молекулы малого
ного белка не могут белка проникают
проникнуть внутрь в гранулы сквозь
гранулы поры
Рис. 6-4. Разделение белков в соответствии
с размерами их молекул методом гель-филь гра-
грации. Раствор, содержащий смесь белков, пропу-
пропускают через колонку, заполненную очень мелки-
мелкими пористыми гранулами гидрофильного поли-
полимера: широко используют для этой цели
производные декстрана. Молекулы малых бел-
белков проникают внутрь гранул, тогда как более
крупные молекулы ие могут туда проникнуть.
Молекулярную массу белка можно определить
путем сравнения скорости его прохождения че-
через колонку со скоростями прохождения других
белков с известными молекулярными массами.
колонку с промежуточными скоростями
в зависимости от их способности прони-
проникать внутрь гранул. Такая колонка, в ко-
которой осуществляется гель-фильтрация,
представляет собой молекулярное сито.
Белки можно отделить друг от дру-
друга также методом электрофореза
(разд. 5.16). Определяющую роль в этом
методе играют знак и число электриче-
электрических зарядов, локализованных на R-rpyn-
пах, концевой аминогруппе и концевой
карбоксильной группе белков. Как и про-
простые пептиды, полипептидные цепи бел-
белков характеризуются присущей им изо-
электрической точкой, которая опреде-
определяется относительным числом кислых
и основных R-rpynn (табл. 6-5). При дан-
данном значении рН у одних из присут-
присутствующих в смеси белков суммарный за-
заряд будет отрицательным, у других - по-
положительным, а у третьих - нулевым.
Если такую смесь белков поместить
в электрическое поле, то белки с положи-
положительным зарядом будут перемещаться
в сторону отрицательного электрода,
На колонку, заполнен- По мере про- Молекулы более
ную декстрановыми
гранулами, наносится
смесь больших и ма-
малых белков
хождения вниз крупного белка
по колонке первыми выходят
молекулы ма- из колонки
лого белка про-
проникают в гра-
гранулы и задер-
задерживаются
Таблица 6-5. Изоэлектрические точки (pHi)
некоторых белков
Пепсин
Яичный альбумин
Сывороточный альбумин
Уреаза
Р-Лактоглобулин
у^Глобулин
Гемоглобин
Миоглобин
Химотрипсиноген
Цитохром с
Лизоцим
рН,
<1,0
4,6
4,9
5,0
5,2
6,6
6,8
7,0
9,5
10,7
11,0
белки с отрицательным зарядом-в сто-
сторону положительного электрода, а белки
с нулевым зарядом останутся на месте
При этом белковые молекулы с более вы-
высокой плотностью заряда будут двигать-
двигаться по направлению к соответствующему
электроду быстрее, чем белки с более
низкой плотностью заряда. Электрофо-
Электрофорез часто проводят не в растворе, а на но-
носителе, представляющем собой либо по-
146
До включения напря-
напряжения
Старт
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
Ацетат целлюлозы
После включения
напряжения
о
о
+ «-о
о
о
ч
•t
I
• ¦
Рис. 6-5. Электрофорез смеси трех белков.
Смесь белков наносят на полоску ацетата цел-
целлюлозы, смоченную буфером с заданным значе-
значением рН. Концы полоски опускают в кюветы
с электродами. Ацетат целлюлозы служит носи-
носителем, предотвращающим беспорядочное пере-
перемещение молекул белка в результате диффузии.
После нанесения смеси белков на середину поло-
полоски молекулы белков подвергают действию
электрического поля, создаваемого разностью
потенциалов между электродами. Каждый из
трех белков перемещается в сторону положи-
положительного или отрицательного электрода с раз-
разной скоростью в зависимости от рН среды и кис-
лотно-оснбвных свойств каждого белка. По
окончании электрофореза положение белков
можно выявить при помощи красителей, связы-
связывающихся с белками.
лоску бумаги, либо пленку ацетата
целлюлозы, либо пластину гидрофильно-
гидрофильного геля, что позволяет сильно замедлить
диффузию молекул фракционируемых
белков в водной фазе (рис. 6-5).
Еще одним эффективным методом
разделения белков является ионообмен-
ионообменная хроматография, основанная боль-
большей частью на различиях в плотности
и знаке заряда белков при данном значе-
значении рН. Таким образом, метод ионооб-
ионообменной хроматографии можно приме-
применять для разделения не только аминокис-
аминокислот (разд. 5.18) и пептидов (разд. 5.21), но
и белков.
Чтобы выделить какой-то один специ-
специфический белок из смеси многих белков,
нужно найти удобный способ определе-
определения концентрации этого белка, который
бы контролировал каждую стадию раз-
разделения. Например, если мы ведем очист-
очистку фермента, то, измеряя его каталитиче-
каталитическую активность, мы можем отличать
его от всех других белков.
6.7. Определение аминокислотной
последовательности
полипептидных цепей
Два больших открытия, сделанные
в 1953 г., ознаменовали наступление но-
новой эры в биохимии. В этом году Джеймс
Д. Уотсон и Фрэнсис Крик в Кембридже
(Англия) создали модель структуры ДНК
(двойную спираль) и высказали предпо-
предположение о структурной основе точной
репликации ДНК. В этом предположе-
предположении, по существу (хотя и не в явной фор-
форме), была выражена идея о гом, что по-
последовательность нуклеотидных звеньев
ДНК содержит в себе закодированную
генетическую информацию. В том же го-
году Фредерик Сэнгер, работавший в Кем-
Кембридже в той же лаборатории, расши-
расшифровал последовательность аминокис-
аминокислот в полипептидных цепях гормона
инсулина. Это достижение само по себе
имело большое значение, так как в тече-
течение долгого времени считалось, что опре-
определение аминокислотной последователь-
последовательности полипептида представляет собой
совершенно безнадежную по трудности
задачу. Но, кроме того, результаты, по-
полученные Сэнгером, практически одно-
одновременно с появлением гипотезы Уотсо-
на- Крика, тоже наводили на мысль
о существовании какой-то связи меж-
между нуклеотидной последовательностью
ДНК и аминокислотной последователь-
последовательностью белков. В следующее десятилетие
эта идея привела к расшифровке всех со-
содержащихся в ДНК и РНК нуклео-
нуклеотидных кодовых слов, которые однознач-
однозначно определяют аминокислотную после-
последовательность белковых молекул.
До работы Счнгера. на выполнение ко-
которой ушло несколько лет, не было уве-
уверенности в том, что все молекулы данно-
данного белка являются строго идентичными
по молекулярной массе и аминокислот-
аминокислотному составу. В настоящее время извест-
известна аминокислотная последовательность
многих сотен белков, выделенных из раз-
различных источников. Определение амино-
аминокислотной последовательности полипеп-
полипептидной цепи основано на принципах,
которые впервые были развиты Сэнге-
Сэнгером. Они используются еще и сегодня,
ГЛ. 6. БЕЛКИ: КОВАЛЕНТНАЯ СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ
147
правда со всевозможными вариациями
и усовершенствованиями. Чтобы рас-
расшифровать аминокислотную последова-
последовательность любого полипептида, необхо-
необходимо осуществить шесть основных ста-
стадий.
а. Стадия 1: определение
аминокислотного состава
Первым шагом на пути к расшифровке
. аминокислотной последовательности
служит гидролиз всех пептидных связей
чистого полипептида. Образующаяся
смесь аминокислот анализируется затем
при помощи ионообменной хроматогра-
хроматографии (разд. 5.18), что позволяет опреде-
определить, какие аминокислоты и в каком со-
соотношении присутствуют в гидролизате.
б. Стадия 2: идентификация
амино- и карбоксиконцевых
остатков
Следующий шаг состоит в идентифи-
идентификации аминокислотного остатка, находя-
находящегося на конце полипептидной цепи, не-
NO2
Тетрапептид
I
соон
2,4-динитрофенил-
тетрапептид
сущего свободную а-аминогруппу, т. е. на
аминоконце (МН2-конце, или N-конце).
Для этой цели Сэнгер предложил исполь-
использовать реагент, 1 -фтор-2,4-динитробен-
зол (разд. 5.22), который можно присое-
присоединить в качестве метки к аминоконцево-
му (N-концевому) остатку цепи, в резуль-
результате чего образуется окрашенное
в желтый цвет 2,4-динитрофенильное
(ДНФ)-производное полипептида. При
кислотном гидролизе все пептидные свя-
связи в таком ДНФ-производном полипеп-
полипептида расщепляются, однако ковалентная
связь между 2,4-динитрофенильной груп-
группой и а-аминогруппой N-концевого
остатка остается незатронутой. Следова-
Следовательно, N-концевой остаток будет пред-
представлен в гидролизате в виде 2,4-дини-
трофенильного производного (рис. 6-6).
Это производное легко отделить от неза-
незамещенных свободных аминокислот
Рис. 6-6. Идентификация аминоконцевого
остатка тетрапептида путем получения 2,4-дини-
трофенильного производного. Тетрапептид
вступает в реакцию с 1 -фтор-2,4-динитробензо-
лом (ФДНБ) с образованием 2,4-дииитрофе-
нильного производного. Последнее подвергают
затем кипячению в присутствии 6 н. HCI с тем,
чтобы расщепить все пептидные связи. При этом
аминоконцевая аминокислота остается в виде
2,4-динитрофенильного производного.
R2—CH
NO2
СООН
NH,
NO2
NH
R,—CH
СООН
2,4-динитрофенил -
а минокислота, соот-
соответствующая N-кон-
N-концевому остатку
R3-CH
СООН
NH2
R,—CH
I
СООН
Свободные
аминокислоты
148
ЧАСТЬ 1 БИОМОЛЕКУЛЫ
Даисилхлорид
R.-CH
соон
Тринептид, меченный
дансилхлоридом
Рис. 6-7. Введение метки в аминоконцевой оста-
остаток трипептида с помощью дансилхлорида. По-
После гидролитического расщепления всех пеп-
пептидных связей дансильное производное амино-
аминоконцевой аминокислоты можно выделить
и идентифицировать. Благодаря интенсивной
флуоресценции дансильных групп они вы-
выявляются в значительно меньших количествах,
чем динитрофенильные группы. Поэтому дан-
сильный метод по чувствительности намного
превосходит метод с использованием фтордини-
тробензола.
и идентифицировать хроматографиче-
ским способом путем сравнения его с ау-
аутентичными динитрофенильными про-
производными различных аминокислот.
Другим реагентом, используемым
в качестве метки, позволяющей иденти-
идентифицировать N-концевой остаток, служит
дансилхлорид (рис. 6-7), который реаги-
реагирует со свободной а-аминогруппой
и дает дансильное производное. Послед-
Последнее интенсивно флуоресцирует, вслед-
вследствие чего его можно обнаружить и изме-
измерить при значительно более низких
концентрациях, чем динитрофенильные
производные.
Карбоксиконцевой (С-концевой) ами-
аминокислотный остаток полипептидной це-
цепи тоже можно идентифицировать, ис-
используя тот или иной метод. Один из
таких методов состоит в инкубировании
полипептида с ферментом карбоксипеп-
тидазой, которая гидролизует только
пептидную связь, находящуюся на кар-
карбоксильном конце (СООН-конце, или С-
конце) цепи. Определив, какая из амино-
аминокислот первой отщепилась от полипепти-
полипептида при действии на него карбоксипепти-
дазы, можно идентифицировать С-конце-
С-концевой остаток.
В результате идентификации N- и С-
концевых остатков полипептида мы по-
получаем две важные реперные точки для
определения аминокислотной последова-
последовательности.
в. Стадия 3: расщепление
полипептидной цепи
на фрагменты
Теперь мы берем еще одну порцию
анализируемого препарата, содержащего
неповрежденные полипептидные цепи,
и расщепляем их на более мелкие куски—
короткие пептиды, состоящие в среднем
из 10-15 аминокислотных остатков. Цель
этой операции заключается в том, чтобы
разделить полученные фрагменты
и определить в каждом из них аминокис-
аминокислотную последовательность.
Для расщепления полипептидной цепи
на отдельные фрагменты можно исполь-
использовать несколько методов. Один из ши-
широко распространенных методов-это ча-
частичный ферментативный гидролиз по-
полипептида под воздействием пищевари-
пищеварительного1 фермента трипсина. Каталити-
Каталитическое действие этого фермента отли-
отличается высокой специфичностью: гидро-
гидролизу подвергаются только те пептидные
связи, в образовании которых участвова-
участвовала карбоксильная группа остатка лизина
или аргинина независимо от длины
и аминокислотной последовательности
полипептидной цепи (табл. 6-6). Число
более мелких пептидов, образующихся
под действием трипсина, можно, следо-
следовательно, предсказать, исходя из общего
числа остатков лизина и аргинина в ис-
исходном полипептиде. Полипептид, в ко-
котором содержатся пять остатков лизина
и (или) аргинина, при расщеплении трип-
трипсином обычно дает шесть более мелких
ГЛ. 6. БЕЛКИ: КОВАЛЕНТНАЯ СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ
149
Таблица 6-6. Специфичность, свойственная
четырем важным методам фрагментации по-
полипептидных цепей
Обработка
Точки расщепления (остатки,
которым принадлежит кар-
карбонильная группа расще-
расщепляемой пептидной связи)
Трипсин
Химотрипсин
Пепсин
Бромциан
Лизин
Аргинин
Фенилаланин
Триптофан
Тирозин
Фенилаланин
Триптофан
Тирозин
Некоторые другие остат-
остатки
Метионин
В этом
направ-
направлении
проведе-
проведена хро-
матогра-
матография
Место нанесения
смеси пептидов
В этом направлении
проведен электрофорез
Рис. 6-8. Пептидная карта, полученная после
расщепления нормального гемоглобина челове-
человека трипсином. Каждое пятно содержит один из
пептидов. Чтобы получить такую двумерную
карту, смесь пептидов наносят на лист бумаги
квадратной формы, проводят электрофорез
в одном направлении, параллельном одной из
сторон квадрата, после чего бумагу высуши-
высушивают, а затем проводят хроматографическое
разделение пептидов в другом направлении, пер-
перпендикулярном первому. Ни один из этих двух
процессов в отдельности не позволяет разделить
пептиды полностью, однако последовательное
их осуществление оказывается очень эффек-
эффективным способом разделения сложных пеп-
пептидных смесей.
пептидов, причем все эти пептиды, за ис-
исключением) одного, имеют на карбок-
карбоксильном конце остаток лизина или ар-
аргинина. Фрагменты, полученные под
действием трипсина, разделяют либо ме-
методом ионообменной хроматографии на
колонке, либо при помощи электрофоре-
электрофореза и хроматографии на бумаге; при этом
часто проводят двумерное хроматогра-
хроматографическое разделение пептидов на листе
бумаги, в результате чего получают хро-
матограмму с распределившимися на
ней пептидами в виде пептидной карты
(рис. 6-8).
г. Стадия 4: определение
последовательности пептидных
фрагментов
На этой стадии устанавливается ами-
аминокислотная последовательность в каж-
каждом из пептидных фрагментов, полу-
полученных на стадии 3. Обычно для этой
цели используют химический метод, раз-
разработанный Пером Эдманом. Расщепле-
Расщепление по Эдману сводится к тому, что ме-
метится и отщепляется только N-концевой
остаток пептида, а все остальные пеп-
пептидные связи не затрагиваются (рис. 6-9).
После идентификации отщепленного N-
концевого остатка метка вводится в сле-
следующий, ставший теперь N-концевым
остаток, который точно так же отще-
отщепляется, проходя через ту же серию реак-
реакций. Так, отщепляя этим способом оста-
остаток за остатком, можно определить всю
аминокислотную последовательность
пептида, используя для этой цели всего
одну пробу. На рис. 6-9 показано, каким
образом осуществляется расщепление по
Эдману. Вначале пептид взаимодей-
взаимодействует с фенилизотиоцианатом, который
присоединяется к свободной ос-амино-
группе N-концевого остатка. Обработка
пептида холодной разбавленной кисло-
кислотой приводит к отщеплению N-концево-
го остатка в виде фенилтиогидантоино-
вого производного, которое можно иден-
идентифицировать хроматографическими ме-
методами. Остальная часть пептидной цепи
после удаления N-концевого остатка
оказывается неповрежденной. Укоро-
Укороченный пептид снова подвергается той
150
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
Фенилизо-
тиоцианат
Фепилтиогидантошювое
производное N-кон-
N-концевой аминокислоты
Фенилтиокарба-
моильная группа
NH
соон
Фенилтиокарбамоил-
тетранептид
NH,
I "
R2— CH
С=О
I
HN
I
R,—СН
С=О
I
HN
I
R,—СН
I
СООН
Исходный пептид минус
N-концевой остаток
же серии реакций, что позволяет иденти-
идентифицировать новый N-концевой остаток.
Повторяя таким образом отщепление
одного за другим N-концевых остатков,
можно легко определить аминокислот-
аминокислотную последовательность пептидов, со-
состоящих из 10-20 остатков.
Определение аминокислотной после-
последовательности проводится для всех пеп-
пептидов, образовавшихся под действием
трипсина. После этого сразу же возни-
возникает новая проблема-определить, в ка-
каком порядке трипсиновые фрагменты
располагались в первоначальной поли-
полипептидной цепи.
д. Стадия 5: расщепление
исходной полипептидной цепи
еще одним способом
Чтобы установить порядок расположе-
расположения пептидных фрагментов, образовав-
образовавшихся под действием трипсина, берут но-
Рис. 6-9. Схема определения аминокислотной
последовательности пептида путем его расщеп-
расщепления по Эдману. Исходный тетрапептид всту-
вступает в реакцию с фснилизотиоцианатом, в ре-
результате чего образуется фенилтиокарбамоиль-
ное производное аминоконцевого остатка. Этот
остаток отщепляют от пептида без разрыва дру-
других пептидных связей и получают в виде фенил-
тиогидантоинового производного, которое
можно идентифицировать хроматографическим
способом. Оставшийся трипептид вновь прово-
проводят через тот же цикл реакций, что позволяет
идентифицировать второй остаток. Эти опера-
операции повторяют до тех пор, пока не будут иденти-
идентифицированы все остатки.
вую порцию препарата исходного поли-
полипептида и расщепляют его на более
мелкие фрагменты каким-либо иным
способом, при помощи которого расще-
расщепляются пептидные связи, устойчивые
к действию трипсина. В этом случае бо-
более предпочтительным часто оказывает-
оказывается не ферментативный, а химический ме-
метод. Особенно хорошие результаты дает
реагент бромциан, расщепляющий толь-
ГЛ. 6. БЕЛКИ: КОВАЛЕНТНАЯ СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ
151
ко те пептидные связи, в которых карбо-
карбонильная группа принадлежит остатку ме-
тионина (табл. 6-6). Следовательно, если
полипептвд содержит восемь остатков
метионина, то при обработке бромциа-
ном обычно образуются девять пеп-
пептидных фрагментов. Полученные таким
способом фрагменты можно разделить
методом электрофореза или хроматогра-
хроматографии. Каждый из этих коротких пептидов
подвергают расщеплению по Эдману,
как было описано для стадии 4, и таким
путем устанавливают их аминокислот-
аминокислотную последовательность.
Итак, мы получили два набора пеп-
пептидных фрагментов-один после обра-
Дапные эксперимента
N-концевой остаток Н
С-концевой остаток **
Фрагменты первого расщепления
O-U-S
P-S
B-O-V-E
R- L-A
H-O-W-T
ботки исходного полипептида трипси-
трипсином и другой после химического расще-
расщепления того же полипептида бромциа-
ном. Мы знаем также аминокислотную
последовательность каждого пептида,
входящего в состав этих двух наборов.
Рис. 6-10. Расположение пептидных фрагмен-
фрагментов в правильном порядке на основе данных по
перекрывающимся участкам. В приведенном
здесь примере полипептид, состоящий из 16 ами-
аминокислотных остатков, после идентификации N-
и С-коицевых остатков был подвергнут фраг-
мен гации двумя способами. Вверху показаны
полученные фрагменты, а вннзу-воссоздание
полной последовательности полипептида по
перекрывающимся участкам.
Фрагменты второго растепления
S- Е-О
W-T-O-U
V-E-R-L
A-P-S
Н-О
Определение последовательности по перекрывающимся участкам
Концевые
остатки
Концевые
фрагменты
H-O-W-T
A-P-S
или
O-U-S
Первый набор h_q_w_t O_u_S E-O-V-B R-L-A P-S
фрагментов j i ( ! j ! ! j
Перекрываю-
Перекрывающиеся участки
Второй набор н_о ¦W-T-O-tr S-E-0 V-E-R-L A-P-S
фрагментов , ! ( { ^ ( (
Перекрываю-
Перекрывающиеся участки
Полученная H-O-W-T-О-U-S - E"-O-V"-Б - R-L - A - P- S
последова-
последовательность
152
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
N-конЦЫ
е. Стадия 6: установление
порядка расположения
пептидных фрагментов
по перекрывающимся участкам
Теперь сравнивают аминокислотные
последовательности в пептидных фраг-
фрагментах, полученных двумя способами из
исходного полипептида, чтобы во вто-
втором наборе найти пептиды, в которых бы
последовательности отдельных участков
перекрывались (т.е. совпадали) с после-
последовательностями тех или иных участков
в пептидах первого набора. Принцип рас-
расположения пептидов показан на
рис. 6-10. Пептиды из второго набора
с перекрывающимися последовательно-
последовательностями позволяют соединить в правиль-
правильном порядке пептидные фрагменты, по-
полученные в результате первого расщепле-
расщепления исходной полипептидной цепи. Более
того, эти два набора фрагментов позво-
позволяют выявить возможные ошибки
в определении аминокислотной последо-
последовательности каждого фрагмента.
Иногда второго расщепления полипеп-
полипептида на фрагменты оказывается недоста-
недостаточно, чтобы найти перекрывающиеся
участки для двух или более пептидов, по-
полученных после первого расщепления.
В этом случае применяется третий, а то
и четвертый способ расщепления, что по-
позволяет в конце концов получить набор
пептидов, обеспечивающих перекрыва-
перекрывание всех участков, необходимых для уста-
установления полной последовательности ис-
исходной цепи. При этом для расщепления
полипептида можно использовать другие
протеолитические ферменты, например
химотрипсин или пепсин; правда, зти
ферменты расщепляют пептидные связи
гораздо менее избирательно, чем трип-
трипсин (табл. 6-6).
6.8. Инсулин-это первый
белок, для которого была
установлена аминокислотная
последовательность
Мы теперь знаем принципиальную схе-
схему определения аминокислотной после-
последовательности полипептидных цепей.
Рассмотрим результаты, полученные
Gly
1
Не
|
Val
1
Glu
1
1
5 Gin
1—?ys
1
Стгс
Cys
i L
1 1
S ier
1 1
io Val
1
1 Cys
1
Ser
i
1
Leu
1
Туг
1
15 Gin
1
1
Leu
1
Glu
1
Asn
|
Туг
1
1
Asn
А-цень
ъ ъ
С-концы
Phe
|
Val
1
Asn
1
1
Gin
1
s His
1
1
Leu
1
Cvs
Uys
Gly
1
Ser
i
1
io His
1
1
Leu
1
Val
Glu
1
Ala
1
1
is Leu
1
Туг
1
Leu
1
Val
1—Cys
J го Gly
Glu
1
Arg
Gly
Phe
I
1
25 Phe
Туг
Thr
Pro
1
1
Lys
1
so Ala
В-цепь
Рис. 6-II. Первичная структура бычьего инсу-
инсулина. Показаны аминокислотные последова-
последовательности каждой из двух цепей и поперечные
связи. А-цепи в молекулах инсулина человека,
свиньи, собаки, кролика и кашалота идентичны.
Идентичны также В-цепи инсулинов коровы,
свиньи, собаки, козы и лошади. Аминокис-
Аминокислотные замены в А-цепи обычно наблюдаются
в положениях 8,9 и 10 (выделены красным
цветом).
ГЛ. 6. БЕЛКИ: КОВАЛЕНТНАЯ СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ
153
Н О
I II
Цепь I —.N—С—С_
Н СН2
Дисульфидная
поперечная
связь
S
н сн2
н—с—о—он
Надмуравьиная
кислота
Н О
I II
-N—С—С-
Н СН2
SO3H
* SO3H
н сн2
¦ Цепь I
Поперечная
связь ра-
разорвана
Цепь II
--N—С—С--
н о
Остаток цистина
Сэнгером при установлении аминокис-
аминокислотной последовательности бычьего ин-
инсулина; эта последовательность приведе-
приведена на рис. 6-11. Бычий инсулин имеет
молекулярную массу около 5700. Его мо-
молекула состоит из двух полипептидных
цепей: А-цепи, содержащей 21 аминокис-
аминокислотный остаток, и В-цепи, содержащей 30
аминокислотных остатков. Эти две цепи
соединены двумя дисульфидными
(—S—S—) поперечными связями, при-
причем в одной из цепей имеется еще одна
внутренняя дисульфидная связь. При
определении последовательности внача-
вначале были разорваны поперечные дисуль-
фидные связи, что позволило разделить
цепи. Для этой цели Сэнгер использовал
в качестве окислителя надмуравьиную
кислоту, которая расщепляет каждый
остаток цистина на два остатка цистеи-
новой кислоты (рис. 6-12), по одному
в каждой цепи. После разделения цепей
в них были определены аминокислотные
последовательности. При этом не уда-
удалось обнаружить никаких закономерно-
закономерностей в расположении какой-либо амино-
аминокислоты, никаких периодических повто-
повторений того или иного аминокислотного
остатка. Более того, последовательности
двух цепей оказались совершенно разны-
разными.
Успешное определение аминокислот-
аминокислотной последовательности в цепях инсули-
инсулина способствовало интенсивному изуче-
изучению взаимосвязи между структурой
инсулинов, выделенных из различных ви-
видов, и их биологической активностью,
связанной с регуляцией обмена глюкозы.
Для биологической активности инсулина
....N—С—С..- Цепь II
А 4
Два остатка цистеи-
новой кислоты
Рис. 6-12. Расщепление дисульфидных попе-
поперечных связей надмуравьиной кислотой.
необходимы обе цепи-А и В. Более того,
необходимо, чтобы обе поперечные ди-
сульфидные связи оставались нерасще-
пленными. Удаление части остатков из
той или другой цепи путем их избира-
избирательного отщепления приводит к частич-
частичной или полной потере активности. Хотя
инсулины, выделенные из поджелудоч-
поджелудочной железы нескольких видов живот-
животных-коровы, свиньи, овцы и кашалота,
сохраняют гормональную активность
в организме человека и могут быть ис-
использованы для лечения больных диабе-
диабетом, они все же не идентичны инсулину
человека. Тем не менее весьма существен-
существенно то, что в каждой цепи инсулина в опре-
определенных положениях всегда присут-
присутствуют одни и те же аминокислоты
независимо от вида, из которого был вы-
выделен данный инсулин. Однако в других
положениях аминокислоты могут разли-
различаться у разных видов. Эти наблюдения
убедительно свидетельствуют о том, что
биологическая активность инсулина за-
зависит от аминокислотной последова-
последовательности его цепей, а также от наличия
в определенных положениях поперечных
связей между цепями.
6.9. В настоящее время
известны последовательности
многих других белков
Успех Сэнгера сразу же побудил ряд
других исследователей заняться опреде-
определением аминокислотных последователь-
154
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
ностей еще более длинных полипеп-
полипептидных цепей. Очень скоро была
установлена аминокислотная последова-
последовательность адренокортикотропного гор-
гормона (кортикотропина, АКТГ)-гормона
передней доли гипофиза, стимулирующе-
стимулирующего рост и активность коры надпочечни-
надпочечников. Этот гормон состоит из одной поли-
полипептидной цепи, содержащей 39 амино-
аминокислотных остатков, с молекулярной
массой около 4600. К концу 1950-х гг. бы-
была установлена последовательность пер-
первого фермента - рибонуклеазы; зту рабо-
работу выполнили Стэнфорд Мур и Уильям
Стейн из Рокфеллеровского института,
а также Кристиан Анфинсен с группой
сотрудников из Национальных институ-
институтов здравоохранения (США). Молекула
бычьей рибонуклеазы содержит в своей
единственной цепи 124 аминокислотных
остатка и четыре внутрицепочечные
—S—S—связи (рис. 6-13).
Следующим важным событием было
определение аминокислотной последова-
последовательности в двух типах полипептидных
цепей гемоглобина. Это была первая по-
последовательность, установленная для
олигомерного белка. Молекула гемо-
гемоглобина состоит из четырех полипеп-
полипептидных цепей, называемых глобинами—
Кортикотропин человека
Ser-TyrSerMet-Glu-HisPhe-ArgTrpGly.o
Lys-Pro-Val-Gly-Lys-Lys-ArgArgPro-Val-jo
LysValTyrPro-AspAla-GlyGlu-AspGln-зо
Ser-Ala-Glu-Ala-Phe-Pro-Leu-Glu-Phe39
A
Рибонуклеаэа из поджелудочной желечы быка
Lys-Glu-Thr-Ala-Ala-Ala-Lys-Phe-Glu-Arg-10
GlnHis-Met-Asp-Ser-SerThr-SerAlaAla-20
SerSer-Se'r-Asn-Tyr-Cys-Asn-Gln-Met-Met-3o
LysSer-Arg-AsnLeu-Thr-Lys-AspArgCys-4n
Lys-ProValAsnThrPhe-ValHisGluSer-50
Leu-Ala- Asp-Val-Gln-Ala-Val-Cys-Ser-Gln-60
Lys-Asn-Val-Ala-Cys-Lys-Asn-Gly-Gln-Thr-7o
Asn-Cys-Tyr-Gln-Ser-Tyr-Ser-Thr-Met-Ser-80
Ile-Thr-Asp-Cys-Arg-Glu-Thr-Gly-Ser-Ser-9(,
Lys-Tyr-Pro-Asn-Cys-Ala-Tyr-Lys-Thr-Thr-iM
Gln-Ala-Asn-Lys-His-Ile-Ile-Val-Ala-Cys-lul
Clu-ClyAsn-Pro-Tyr-Val-Pro-Val-His-Phe-120
Asp-Ala-Ser-Val1M
Б
двух идентичных а-глобинов A41 оста-
остаток) и двух идентичных Р-глобинов A46
остатков). В молекуле гемоглобина эти
цепи не соединены ковалентными связя-
связями, но тесно ассоциированы друг с дру-
другом посредством водородных связей
и гидрофобных взаимодействий (гл. 7).
После разделения а- и р-глобинов их
аминокислотные последовательности
были установлены двумя группами ис-
исследователей в Соединенных Штатах
и одной-в ФРГ. Среди более длинных
полипептидных цепей, для которых уста-
установлена полная аминокислотная после-
последовательность, можно указать бычий
трипсиноген B29 остатков), бычий химо-
трипсиноген B45 остатков), глицеральде-
гид-3-фосфатдегидрогеназу C33 остатка)
и состоящий из одной цепи сыворо-
сывороточный альбумин человека E82 остатка).
Многие стадии, через которые прохо-
проходит определение аминокислотной после-
последовательности длинных полипептидных
цепей, и одновременная регистрация всех
полученных результатов осуществляют-
осуществляются в настоящее время автоматическими
аминокислотными анализаторами с про-
программным управлением. Даже расщепле-
расщепление по Эдману проводится при помощи
специального прибора с программным
Рис. 6-13. А. Аминокислотная последователь-
последовательность адренокоргикотрошюго i ормона гипофи-
гипофиза C9 остатков). Б. Аминокислотная последова-
последовательность рибонуклеазы из поджелудочной
железы быка A24 остатка). В. Схематическое
изображение молекулы рибонуклеазы, показы-
показывающее расположение четырех дисульфидных
поперечных связей, образованных остатками
цистина.
ГЛ. 6. БЕЛКИ: КОВАЛЕНТНАЯ СТРУКТУРА Ц ФУНКЦИИ
155
управлением - секвенатора. В этом при-
приборе реагенты автоматически смеши-
смешиваются в нужных пропорциях, продукты
реакции разделяются и идентифици-
идентифицируются, а результаты регистрируются на
ленте самописца. Применение таких при-
приборов сильно сократило затраты труда
и времени, необходимые для определе-
определения аминокислотной последовательно-
последовательности полипептидов. Более того, эти новые
методы отличаются очень высокой чув-
чувствительностью. При помощи аминокис-
аминокислотных анализаторов можно быстро
определить, какое количество каждой из
аминокислот присутствует в одном отпе-
отпечатке пальца! Для установления полной
аминокислотной последовательности ча-
часто достаточно иметь всего один милли-
миллиграмм белка.
6.10. Гомологичные белки
разных видов имеют
гомологичные последовательности
При изучении аминокислотных после-
последовательностей гомологичных белков,
выделенных из разных видов, было сде-
сделано несколько важных выводов. К гомо-
гомологичным белкам относятся те белки, ко-
которые у разных видов выполняют одина-
одинаковые функции. Примером может слу-
служить гемоглобин: у всех позвоночных он
осуществляет одну и ту же функцию, свя-
связанную с транспортом кислорода. Гомо-
Гомологичные белки разных видов обычно
имеют полипептидные цепи, идентичные
или почти идентичные по длине. Более
того, в аминокислотных последователь-
последовательностях гомологичных белков во многих
положениях всегда находятся одни и те
же аминокислоты-их называют инва-
инвариантными остатками. Вместе с тем
в других положениях таких белков на-
наблюдаются значительные различия:
в этих положениях аминокислоты варьи-
варьируют от вида к виду; такие аминокис-
аминокислотные остатки называются вариа-
вариабельными. Всю совокупность сходных
черт в аминокислотных последователь-
последовательностях гомологичных белков объеди-
объединяют в понятие гомология последователь-
последовательностей; наличие такой гомологии пред-
предполагает, что животные, из которых
были выделены гомологичные белки,
имеют общее эволюционное происхо-
происхождение.
Биологический смысл, заключенный
в гомологии последовательностей, лучше
всего можно проиллюстрировать на при-
примере цитохрома с-железосодержащего
митохондриального белка, участвующе-
участвующего в качестве переносчика электронов
в процессах биологического окисления
в эукариотических клетках. Молекуляр-
Молекулярная масса этого белка у большинства ви-
видов составляет около 12 500; при этом
его полипептидная цепь содержит 100
или несколько большее число аминокис-
аминокислотных остатков. Были установлены
аминокислотные последовательности
для цитохромов с, выделенных более чем
из 60 видов, и во всех исследованных бел-
белках 27 положений в полипептидной цепи
оказались занятыми одинаковыми ами-
аминокислотными остатками (рис. 6-14). Это
указывает на то, что все эти остатки
играют важную роль в определении био-
биологической активности цитохрома с.
В других положениях аминокислотные
остатки могут варьировать от вида к ви-
виду. Второй важный вывод, сделанный на
основе анализа аминокислотных после-
последовательностей цитохромов с, состоит
в том, что число остатков, по которым
различаются цитохромы с любых двух
видов, пропорционально филогенетиче-
филогенетическому различию между данными видами.
Например, молекулы цитохромов с ло-
лошади и дрожжей (эволюционно весьма
далеких видов) различаются по 48 амино-
аминокислотным остаткам, тогда как цито-
цитохромы с гораздо более близких видов—
курицы и утки-только по двум остат-
остаткам. Что же касается цитохромов
с курицы и индейки, то они имеют иден-
идентичные аминокислотные последователь-
последовательности. Идентичны также цитохромы
с свиньи, коровы и овцы. Сведения о чис-
числе различий в аминокислотных последо-
последовательностях гомологичных белков из
разных видов используют для построе-
построения эволюционных карт, отражающих
последовательные этапы возникновения
и развития различных видов животных
и растений в процессе эволюции
(рис. 6-14).
156
N- конец
NH2
-1
10
20
-30
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
Человек, шимпанзе
Обезьяна
МЛЕКОПИТАЮЩИЕ
Лошадь
Пингвин птицы
I
Курица, индейка, утка
ПРЕСМЫКАЮЩИЕСЯ
Черепаха
Свинья, овца, корова
Собака
3 Крали к
3
2,5
Debaryamyces
Candida
Акула Лягушка
ЗЕМНОВОДНЫЕ
12
40
Число
50 остатков
ГРИБЫ
1
1 12,5
\ 1
\
ч
Дрожжи ^
\ \
1з\ 1
1 Плодовая
/ 14'5 2 ^
/ Тутовый
' ¦ шелкопряд (
НАСЕКОМЫЕ J
| з /
Бражник 21 /
>А /
7.5 \ 1
i \k
мушка
\ Мясная муха
Г
1
ш
II
-60
-70
Нейроснора
12
7,5
25
15
12
6,5
РЫБЫ
Тупец
Пеламида
Карп
Минога
11
Фасоль
РАСТЕНИЯ
Подсолпеч-
6 ник
25
ГЛ 6. БЕЛКИ: КОВАЛЕНТНАЯ СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ
157
6.11. Различия между
гомологичными белками можно
выявить по иммунной реакции
То, что гомологичные белки из разных
видов обычно не идентичны, обнаружи-
обнаруживается также при изучении особого клас-
класса белков, называемых антителами или
иммуноглобулинами. Молекулы антител
появляются у позвоночных в сыворотке
крови и отдельных тканях в ответ на
инъекцию антигена-белка или какого-
то другого высокомолекулярного соеди-
соединения, чужеродного для данного вида.
Каждый чужеродный белок вызывает
образование антител только одного
определенного типа. Подобная реакция
организма, высокоспецифическая по от-
отношению к инъецированному белку, на-
называется иммунным ответом или им-
иммунной реакцией; она составляет основу
целой научной области - иммунологии.
Молекулы антител, формирующиеся
в специализированных клетках -лимфо-
-лимфоцитах, способны соединяться с молеку-
молекулами антигенов, вызвавшими их появле-
появление, в результате чего образуется ком-
комплекс антиген - антитело. Иммунитет
к инфекционным болезням во многих
случаях можно создать путем инъекции
очень малых количеств некоторых ма-
кромолекулярных компонентов (т.е. ан-
антигенов), входящих в состав микроорга-
микроорганизма или вируса-возбудителя данной
болезни. При этом в лимфоцитах хозя-
хозяина вырабатываются антитела к вве-
введенным антигенам. Если микроорганизм
или вирус, несущий зти антигены, впос-
впоследствии вновь проникнет в кровь или
лимфу иммунизированного животного,
Рис. 6-14. А. Расположение 27 инвариантных
остатков в цитохроме с более чем 60 видов,
включая млекопитающих, рыб, пресмыкающих-
пресмыкающихся, земноводных, птиц, насекомых и других бес-
беспозвоночных, а также растения и грибы. С увели-
увеличением числа исследованных цитохромов с
число инвариантных остатков может несколь-
несколько уменьшиться. Б. Основные ветви эволюцион-
эволюционного древа, построенного на основе данных
о числе аминокислотных замен в молекулах ци-
тохрома с у различных видов. Цифры означают
число остатков, по которым цитохром с данной
линии организмов отличается от цитохромов
с их предков. Кружками отмечены точки эволю-
эволюционной дивергенции.
то антитела нейтрализуют или инактиви-
руют его, связавшись с его антигенными
компонентами. Способность к иммунно-
иммунному ответу свойственна только позво-
позвоночным и, следовательно, возникла на
относительно поздних этапах биологиче-
биологической эволюции.
Образование антител можно исследо-
исследовать количественно с помощью реакции
преципитации. Животное, которое слу-
служит реципиентом-обычно это кролик,-
иммунизируют каким-либо специфичес-
специфическим чужеродным белком, например яич-
яичным альбумином из куриных яиц. За-
Затем сыворотку крови иммунизированно-
иммунизированного животного (антисыворотку), содержа-
содержащую антитела, смешивают с небольшим
количеством антигена, т.е. яичным аль-
альбумином. При этом происходит помут-
помутнение, так как образуется осадок (преци-
(преципитат), содержащий комплекс анти-
антиген - антитело. Если же с антигеном сме-
смешивается сыворотка неиммунизирован-
ного животного, никакого осадка не об-
образуется.
Антитела представляют собой моле-
молекулы Y-образной формы, состоящие из
четырех полипептидных цепей. У них
имеются участки связывания антигена,
комплементарные определенным хими-
химическим структурам в молекуле антигена.
Молекула антитела содержит два таких
участка связывания, благодаря чему ста-
становится возможным образование трех-
трехмерной решетки из чередующихся моле-
молекул антигена и антитела (рис. 6-15).
Антитела обладают высокой специ-
специфичностью в отношении чужеродных
белков, вызвавших их образование. На-
Например, антитела, образовавшиеся у кро-
кролика в ответ на инъекцию сывороточного
альбумина лошади, будут связываться
с этим белком, но обычно не связывают-
связываются с другими белками лошади, допустим
с гемоглобином. Вырабатываемые у кро-
кролика антитела к сывороточному альбу-
альбумину лошади лучше всего взаимодей-
взаимодействуют именно с этим белком, однако
они в значительной мере реагируют и
с сывороточным альбумином близкород-
близкородственных видов, таких, как зебра, корова,
свинья и другие копытные, тогда как сы-
сывороточный альбумин грызунов, птиц
158
ЧАСТЬ I. БИОМОЛЕКУЛЫ
В- лимфоцит
Рецепторный участок
Антигенная детерминанта
Антиген
Хелперная
вспомогател!
ная) функция
Плазматическая клетка
Молекулы антител
^^^ Комплекс антиген -
антитело
и земноводных дает намного менее выра-
выраженную реакцию. Эти наблюдения пол-
полностью согласуются с данными об ами-
аминокислотных последовательностях гомо-
гомологичных белков. Они указывают также
на то, что специфичность иммунной реак-
реакции связана с аминокислотными после-
последовательностями белков. В дальнейшем
Рис. 6-15. Иммунный ответ и действие антител.
Когда чужеродная для данного организма ма-
макромолекула (например, молекула белка из ка-
какого-то другого вида) попадает в кровь или
ткань, она вызывает защитную реакцию, кото-
которая называется иммунным ответом. Чужерод-
Чужеродная макромолекула, называемая антигеном,
связывается с поверхностью лейкоцита особого
типа - В-лимфоцитом. Эта клетка под воздей-
воздействием антигена постепенно изменяется и пре-
превращается в плазматическую клетку, вырабаты-
вырабатывающую большое количество антител против
данного антигена. Образованию специфических
антител способствуют также другие клетки, на-
называемые Т-лимфоцитами. Антитела, или имму-
иммуноглобулины, представляют собой сложные вы-
высокомолекулярные белки, молекулы которых
состоят из четырех полипептидных цепей и со-
содержат несколько углеводных групп. Они могут
специфически связываться с антигеном, вызвав-
вызвавшим образование антител, но не связываются ни
с какими друт ими белками. Иммуноглобулины
имеют Y-образную форму и содержат два участ-
участка для связывания антигена. Антитела вызы-
вызывают преципи гацию (выпадение в осадок) анти-
антигена благодаря образованию нерастворимого
агрегата со структурой наподобие решетки.
Каждый антиген стимулирует образование ан-
антител лишь одного определенного типа. Эти ан-
антитела распознают н связывают только данный
антиген или близкородственные молекулы.
мы еще обсудим и другие вопросы, ка-
касающиеся антител, так как эти белки
имеют исключительно важное значение
для медицины и с их помощью можно
многое узнать о структуре белков и дей-
действии генов (гл. 30).
6.12. Белки претерпевают
структурные изменения,
называемые денатурацией
На протяжении всей этой главы мы
подчеркивали взаимосвязь между амино-
аминокислотной последовательностью, биоло-
биологической активностью и видоспецифич-
ностью белков. Однако характеристика
белков далеко не исчерпывается их пер-
первичной структурой—так обычно назы-
называют ковалентную структуру белка и его
аминокислотную последовательность.
Об этом ясно свидетельствует давно
и хорошо известное свойство белков,
о котором мы пока не упоминали. Если
раствор белка, например яичного аль-
альбумина, медленно нагревать до темпера-
температуры 60-70°С, он постепенно мутнеет
и наконец превращается в вязкий сгусток.
ГЛ. 6. БЕЛКИ: КОВАЛЕНГНАЯ СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ
159
Этот процесс хорошо всем знаком, по-
поскольку он происходит при варке яиц.
Яичный белок, содержащий альбумин,
при нагревании свертывается (коагули-
(коагулирует), превращаясь в упругую белую мас-
массу. Свернувшийся таким образом яичный
белок после охлаждения оказывается не-
нерастворимым, и из него уже невозможно
получить исходный прозрачный раствор.
Нагревание яичного альбумина приво-
приводит к изменениям, носящим, по-видимо-
по-видимому, необратимый характер. Такое же
явление наблюдается при нагревании
практически всех глобулярных белков не-
независимо от размеров их молекул и био-
биологической функции, хотя температура,
при которой осуществляется чтот про-
процесс, неодинакова у разных белков. Изме-
Изменения, происходящие с белками при на-
нагревании, в совокупности называются
денатурацией. Белки в их естественном
состоянии носят название нашивных бел-
белков, а после денатурации -денатуриро-
-денатурированных белков.
Еще одно важное следствие денатура-
денатурации белка заключается в том, что белок
почти всегда утрачивает характерную
для него биологическую активность. Так,
если водный раствор фермента кипятить
в течение нескольких минут, а затем ох-
охладить, то фермент, как правило, стано-
становится нерастворимым и, что особенно
важно, уже не обладает каталитической
активностью. Денатурацию белков вы-
вызывает не только нагревание, но и воз-
воздействие экстремальных значений рН,
добавление к раствору белка некоторых
органических растворителей, таких, как
спирт или ацетон, обработка мочевиной
или детергентами и даже сильное
взбалтывание белкового раствора на воз-
воздухе до тех пор, пока он не вспенится.
Каждый из этих способов денатурации
можно рассматривать как относительно
мягкую обработку. В самом деле,
прямые эксперименты показывают, что
денатурация не сопровождается разры-
разрывом ковалентных связей в полипептид-
полипептидной цепи. Следовательно, аминокислот-
аминокислотная последовательность белка после
денатурапии не изменяется; тем не менее
большинство белков при этом утрачи-
утрачивает биологическую активность. Отсюда
| Денатурированный, т.е.
развернутый, белок
Рис. 6-16. Тепловая обработка нативных глобу-
глобулярных белков, а также некоторые другие виды
воздействия приводят к денатурации этих бел-
белков, г. е. к развертыванию цепей без разрушения
их ковалентной структуры. Денатурированный
белок может принимать множество случайных
конформаций и обычно не обладает биологиче-
биологической активностью.
мы должны заключить, что биологиче-
биологическая активность белка зависит не только
от аминокислотной последовательности.
В чем же здесь разгадка? Ответ до-
довольно прост: помимо первичной струк-
структуры белки обладают более высокими
уровнями структурной организации. Ес-
Если пояснить эту мысль коротко, то мож-
можно сказать, что ковалентно связанная по-
полипептидная цепь нативного белка
свертывается в пространстве опреде-
определенным образом, вследствие чего возни-
возникает характерная для данного типа белка
укладка полипептидной цепи. Благодаря
160
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
специфическому способу свертывания це-
цепи в пространстве белок наделен харак-
характерной для него биологической актив-
активностью (рис. 6-16). В процессе денатура-
денатурации белка свойственная ему трехмерная
организация нарушается, полипептидная
цепь развертывается и приобретает бес-
беспорядочную структуру, хотя кова-
лентные связи при этом остаются непо-
неповрежденными. Иными словами, на-
тивные молекулы белка очень непрочны
и легко утрачивают свою структуру при
нагревании или других, казалось бы мяг-
мягких, воздействиях. Если мы хотим зани-
заниматься изучением биологической актив-
активности какого-нибудь белка, мы должны
при выделении и очистке этого белка
обращаться с ним очень осторожно,
чтобы избежать его денатурации.
В следующих двух главах будет пока-
показано, каким образом полипептидные це-
цепи нативных белков свертываются и при-
приобретают характерную для них специфи-
специфическую конформацию и как эта конфор-
мация зависит от аминокислотной после-
последовательности.
Краткое содержание главы
Белки-это самый многочисленный
класс присутствующих в клетках макро-
макромолекул; они составляют свыше поло-
половины сухого веса клеток. Белки представ-
представляют собой очень длинные полипеп-
полипептидные цепи, содержащие от 100 до 1 000
и более аминокислотных звеньев, соеди-
соединенных друг с другом пептидными связя-
связями. Простые белки в процессе гидролиза
распадаются только на аминокислоты;
сложные белки содержат еще и другие
дополнительные компоненты-ионы ме-
металлов или органические простетические
группы. Одни белки имеют волокнистую
(фибриллярную) структуру и нераство-
нерастворимы, тогда как другие состоят из плот-
плотно свернутых полипептидных цепей
и имеют глобулярную форму.
Клетки содержат сотни и тысячи раз-
различных белков, предназначенных для вы-
выполнения самых разных биологических
функций. Тем не менее все они построены
из набора одних и тех же 20 аминокислот,
расположенных в различной, но строго
определенной для каждого белка после-
последовательности. Аминокислотную после-
последовательность полипептидной цепи мож-
можно установить путем расщепления ее на
более мелкие фрагменты с последующим
определением аминокислотной последо-
последовательности каждого фрагмента при по-
помощи отщепления N-концевых амино-
аминокислотных остатков по Эдману. Затем
пептидные фрагменты располагают
в правильном порядке, находя в них
участки с перекрывающимися последова-
последовательностями. Для этой цели исходный
полипептид расщепляют на фрагменты
каким-нибудь другим способом так,
чтобы места расщепления цепи не совпа-
совпадали с местами ее расщепления при ис-
использовании первого способа фрагмен-
фрагментации. Аминокислотные последова-
последовательности второго набора фрагментов
должны перекрывать места расщеп-
расщепления цепи, полученные первым спосо-
способом.
Гомологичные белки, выделенные из
организмов различных видов, обнаружи-
обнаруживают гомологию последовательностей;
это означает, что наиболее важные поло-
положения в полипептидных цепях гомоло-
гомологичных белков заняты одними и теми же
аминокислотами независимо от вида ор-
организмов. В других положениях гомоло-
гомологичные белки могут содержать разные
аминокислоты. Чем ближе в эволюцион-
эволюционном отношении виды, тем более сходны
аминокислотные последовательности их
гомологичных белков. Таким образом,
последовательности гомологичных бел-
белков указывают, что содержащие их орга-
организмы произошли от общего предка, но
в ходе эволюции претерпели изменения
и превратились в разные виды. Анало-
Аналогичные выводы были сделаны исходя из
результатов изучения специфичности ан-
антител по отношению к антигенам гомо-
гомологичных видов.
Глобулярные белки при нагревании,
под воздействием экстремальных значе-
значений рН и при обработке некоторыми ре-
реагентами обычно становятся нераство-
нерастворимыми в воде и утрачивают свою
биологическую активность, сохраняя, од-
однако, неповрежденной ковалентную
структуру полипептидной цепи. Этот
ГЛ. 6. БЕЛКИ: КОВАЛЕНТНАЯ СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ
161
процесс, называемый денатурацией,
обусловлен развертыванием полипеп-
полипептидных цепей.
ЛИТЕРАТУРА
Многие полезные сведения содержатся в лите-
литературе к главе 5
Книги
Cooper Т. G. The Tools of Biochemistry, Wiley,
New York, 1977. Руководство по экспери-
экспериментальным методам биохимии белков.
DayhoffM.O. Atlas of Protein Sequence and
Structure, vol. 5, suppl. 1-3, National
Biomedical Research Foundation, Washi-
Washington, D.C., 1972-1979. Энциклопедия ами-
аминокислотных последовательностей белков.
Dickerson R.E., Geis I. Proteins: Structure,
Function, and Evolution, 2d ed.,
Benjamin/Cummings, Menlo Park, Calif., 1983.
Прекрасно иллюстрированная книга о бел-
белках, которую можно рассматривать как вве-
введение в эту область.
Haschemeyer R., Haschemeyer A.H. Proteins:
A Guide to Study by Physical and Chemical
Methods. Wiley, New York, 1973.
Neurath H., Hill R. L. The Proteins, 3d ed..
Academic, New York, 1977. Всестороннее
и детальное изложение сведений о белках,
представленное в виде многотомного сбор-
сборника статей.
Schultz G. ?., Schirmer R. H. Principles of Protein
Structure, Springer, New York, 1979.
Статьи
Dickerson R.E. Structure and History of an
Ancient Protein, Sci. Am, 226, 58-72, April
A972).
Edelman G.M. The Structure and Function of
Antibodies, Sci. Am, 223,34-42, August A970).
Moore S., Stein W. H. Chemical Structures of
Pancreatic Ribonuclease and
Deoxyribonuclease, Science, 180, 458-464
A973).
O'Farrell P. H. High Resolution Two-Dimen-
Two-Dimensional Analysis of Proteins, J. Biol. Chem,
250, 4007-^021 A975). Интересная попыт-
попытка пересчитать все белки, присутствующие
в клетке Е. coli.
Srinavasan P.R., Fruton J.S., EdsallJ.T. (eds.)
The Origins of Modern Biochemistry.
A Retrospective on Proteins, Ann. N.Y. Acad.
Sci, 325 A979). Сборник очень интересных
статей по истории исследования белков.
Вопросы и задачи
1. Сколько молекул Р-галактозидазы присут-
присутствует в клетке Е. coli? E coli-это палоч-
палочкообразная бактерия длиной 2 мкм и диа-
диаметром 1 мкм. Если при выращивании
клеток Е. coli питательной средой служит
лактоза (сахар молока), то бактерии синте-
синтезируют фермент Р-галактозидазу (мол.
масса 450 000), который катализирует реак-
реакцию расщепления лактозы. Средвяя плот-
плотность бактериальной клетки составляет
1,2 г/мл; 14% всей массы клетки приходит-
приходится на долю растворимых белков, среди ко-
которых Р-галактозидаза составляет 1,0%.
Подсчитайте число молекул Р-галактози-
дазы в клетке Е. coli, выросшей на лактозе.
2. Число остатков триптофана в сывороточ-
сывороточном альбумине быка. По данным количе-
количественного аминокислотного анализа
в сывороточном альбумине быка содер-
содержится 0,58% (по весу) триптофана, мол. мас-
масса которого равна 204.
а) Рассчитайте минимальную молекуляр-
молекулярную массу сывороточного альбумина
быка.
б) По данным гель-фильтрации молеку-
молекулярная масса сывороточного альбумина
быка составляет приблизительно 70000.
Сколько остатков триптофана присут-
присутствует в молекуле сывороточного аль-
альбумина?
3. Молекулярная масса рибонуклеазы. Содер-
Содержание лизина в рибонуклеазе составляет
10,5% (по весу). Рассчитайте минимальную
молекулярную массу рибонуклеазы. Моле-
Молекула рибонуклеазы содержит 10 остатков
лизина. Рассчитайте молекулярную массу
рибонуклеазы.
4. Суммарный электрический заряд полипеп-
тидов. Полипептид, выделенный из мозга,
имеет последовательность
Glu—His—Trp—Ser—Туг—
Gly—Leu—Arg—Pro—Gly
Определите суммарный заряд молекулы
при рН 3. Каков ее суммарный заряд при
рН 5,5? При рН 8? При рН 11 ? Значения
р/С' для R-групп Glu, His, Ser, Туг и Arg
равны соответственно 4,3, 6,0, 13,6, 10
и 12,48. Рассчитайте изоэлектрическую
точку этого полипептида.
5. Изоэлектрическая точка пепсина. Пепсин
желудочного сока (рН 1,5) имеет изоэлек-
изоэлектрическую точку около 1, т.е. намного ни-
ниже, чем другие белки (см. табл. 6-5). Какие
функциональные группы должны присут-
присутствовать в пепсине в относительно боль-
большом числе, чтобы этот фермент мог иметь
6-767
162
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
такую низкую изоэлектрическую точку?
Какие аминокислоты имеют эти группы
в своем составе?
6. Изоэлектрическая точка гистонов. Ги-
стоны-это белки, содержащиеся в ядрах
эукариотических клеток. Они прочно свя-
связаны с дезоксирибонуклеиновой кислотой
(ДНК), которая содержит много фос-
фосфатных групп. Изоэлектрическая точка ги-
гистонов очень высока (около 10,8). Какие
аминокислотные остатки должны присут-
присутствовать в гистонах в относительно боль-
больших количествах? Каким образом эти
остатки обеспечивают прочное связывание
гистонов с ДНК?
7. Растворимость полипептидов. В одном из
методов разделения полипептидов исполь-
используется различие в их растворимости. Как
уже было сказано в тексте, растворимость
крупных полипептидов в воде зависит от
степени полярности их R-групп, особенно
от числа ионизируемых групп: чем больше
ионизируемых групп, тем выше раствори-
растворимость полипептида. Какой полипептид из
каждой пары приведенных ниже полипеп-
полипептидов более растворим в указанных усло-
условиях?
а) (GlyJ0 или (GluJ0 при рН 7,0;
б) (Lys—А1аK или (Phe—MetK при рН 7,0;
в) (Ala—Ser—GlyM или (Asn—Ser—HisM
при рН 9,0;
г) (Ala—Asp —GlyM или (Asn—Ser—HisM
при рН 3,0.
8. Расщепление полипептидной цепи на фраг-
фрагменты под действием протеолитических
ферментов. Трипсин и химотрипсин-это
специфические ферменты, катализирующие
гидролитическое расщепление полипепти-
полипептидов в определенных местах их цепи
(табл. 6-6). Ниже приведена последователь-
последовательность В-цепи полипептидного гормона ин-
инсулина. Учтите, что цистиновый попе-
поперечный мостик между А- и В-цепями уже
разорван под действием надмуравьиной
кислоты (см. рис. 6-12).
Phe — Val — Asn — Gin — His — Leu —
CySO3H — Gly — Ser — His — Leu — Val
— Glu — Ala — Leu — Туг — Leu — Val —
CySO3H — Gly — Glu — Arg — Gly — Phe
— Phe — Tyr — Thr — Pro — Lys — Ala
Укажите те места в В-цепи, в которых про-
происходит ее расщепление под действием
а) трипсина и б) химотрипсина.
9. Определение аминокислотной последова-
последовательности лей-энкефалина- выделенного из
мозга пептида. Из нормальной мозговой
ткани была выделена группа полипептидов,
влияющих на передачу нервного импульса
в определенных участках мозга. Эти поли-
полипептиды известны под названием опиоидов,
поскольку они присоединяются к специфи-
специфическим рецепторам, которые связывают
опиаты (алкалоиды опиума), такие, как
морфин и налоксон. Таким образом,
опиоиды имитируют некоторые свойства
опиатов. Некоторые исследователи рассма-
рассматривают эти полипептиды как содержащие-
содержащиеся в мозгу собственные средства обезболи-
обезболивания. Используя приведенные ниже сведе-
сведения, определите аминокислотную последо-
последовательность опиоида лей-энкефалина.
Объясните, как согласуется полученная ва-
вами структура с указанными ниже
а) Полный гидролиз под действием 1 М
НС1 при 110°С с последующим амино-
аминокислотным анализом выявил присут-
присутствие Gly, Leu, Phe и Туг в молярном от-
отношении 2:1 :1 :1.
б) После обработки полипептида 2,4-ди-
нитрофторбензолом с последующим
полным гидролизом и хроматографи-
ческим разделением продуктов было
выявлено присутствие 2,4-динитрофе-
нильного производного тирозина. Сво-
Свободного тирозина при этом не было
обнаружено.
в) Частичный гидролиз полипептида хи-
мотрипсином с последующим хро-
матографическим разделением полу-
полученных продуктов дал Leu, Туг и бо-
более короткий пептид. Полный гидро-
гидролиз последнего с последующим амино-
аминокислотным анализом выявил присут-
присутствие Gly и Phe в отношении 2:1.
10. Электрофорез пептидов. Если ионизиро-
ионизированные аминокислоты и пептиды поме-
поместить в электрическое поле, то в зависимо-
зависимости от рН они движутся в сторону катода
или анода (см. рис. 6-5). Этот метод широ-
широко используется для разделения пептидов,
различающихся по величине суммарного
заряда. Возможности метода особенно ве-
велики благодаря тому, что суммарный за-
заряд пептида можно изменять, изменяя рН
среды.
а) Определите направление миграции (к
аноду или катоду) для всех выписан-
выписанных ниже аминокислот и пептидов
при заданном значении рН
1) Glu (рН 7)
2) Glu (рН 1)
3) Asp—His (рН 1)
4) Asp—His (pH 10)
б) При каком значении рН можно легко
разделить с помощью электрофореза
следующие три дипептида: Gly—Lys,
Asp—Val и Ala—His?
ГЛ. 6. БЕЛКИ: КОВАЛЕНТНАЯ СТРУКТУРА И ФУНКЦИИ
163
11. Растворимость: высаливание
а) Чистые белки большей частью нера-
нерастворимы в дистиллированной воде, но
растворяются в разбавленных солевых
растворах. Однако при добавлении к во-
водному раствору белка нейтральных солей
в высокой концентрации белок выпадает
в осадок. Это явление называют высали-
высаливанием. Например, большая часть белков
растворяется в 0,1 М (NH4JSO4, но выпа-
выпадает в осадок, если концентрация
(NH4JSO4 повышается до ЗМ. После уда-
удаления избытка (NH4JSO4 путем диализа
белки снова растворяются. Попытайтесь
объяснить на молекулярном уровне, поче-
почему добавление солей в высоких концен-
концентрациях приводит к понижению раствори-
растворимости белка.
б) На графике показана зависимость рас-
растворимости двух белков от концентрации
(NH4JSO4. Как можно использовать эти
данные для разделения белков А и В?
хорошо известный факт, что белки, выпол-
выполняя свойственные им биологические функ-
функции, обратимо связываются с другими
специфическими видами молекул, назы-
называемых лигандами. В результате обра-
образуются прочные нековалентные белково-
лигандные комплексы.
•О
Ьслок Лиганд
Комплекс белок
лиганд
По этому методу лиганд, специфически
связывающийся с белком, который нам
нужно выделить, ковалентно присоеди-
присоединяют к нерастворимым полимерным гра-
гранулам диаметром 10-50 мкм.
Задача 11
Белок В
Концентрация (NH4JSO4, M
12. Аффинная хроматография: высокоспеци-
высокоспецифичный и эффективный метод выделения
специфических белков. Вследствие того что
молекулы большинства белков легко раз-
разрушаются при использовании для их вы-
выделения и очистки многих традиционных
методов, применяемых в органической хи-
химии, таких, как возгонка и экстрагирова-
экстрагирование различными растворителями, биохи-
биохимики вынуждены были разработать для
этой цели специальные методы. Нередко
удается выделить какой-нибудь один бе-
белок, присутствующий в смеси, содержа-
шей несколько тысяч других биомолекул,
в концентрапии 10~3-10~6 М. Один из
таких методов, известный под названием
аффинной хроматографии, сыграл решаю-
решающую роль при выделении и очистке ряда
ферментов, иммуноглобулинов и рецеп-
торных белков. В основе метода лежит тот
Полимерная 7
гранула
Для выделения этого белка из клеточного
экстракта последний вносят в колонку, за-
заполненную полимерными гранулами
с присоединенным к ним лигандом. после
чего колонку промывают несколько раз
буферным раствором. При этом на колон-
колонке удерживаются лишь те белки, которые
имеют высокое сродство к закрепленному
на полимере лиганду; остальные же белки
просто вымываются буфером. Поскольку
сродство и специфичность белка к лиганду
очень высоки, таким путем зачастую мож-
можно в один прием выделить и очистить
чрезвычайно малые количества белка из
клеточного экстракта, содержащего сотни
других белков.
Каким образом можно получить белок,
оставшийся на аффинной колонке, в чис-
чистом виде? Объясните, какие принципы ле-
лежат в основе предлагаемой операции.
13. Структура полипептидного антибиотика,
выделенного из Bacillus brevis. Экстракты,
полученные из бактериальной культуры
Bacillus brevis, содержат пептид со свой-
свойствами антибиотика. Этот пептид обра-
образует комплексы с ионами металлов и, по-
видимому, нарушает систему ионного
транспорта через клеточную мембрану.
164
ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ
убивая таким образом определенные виды
бактерий. Структура полипептида была
установлена на основе следующих
наблюдений:
а) Полный кислотный гидролиз пептида,
как показал последующий амино-
аминокислотный анализ, привел к образова-
образованию эквимолярных количеств Leu, Огп,
Phe, Pro и Val. Огп-сокращенное обо-
обозначение орнитина-аминокислоты, не
встречающейся в белках, но присутст-
присутствующей в некоторых пептидах. Он
имеет следующее строение:
Н
NH3— СН2—СН2—СН2—С—СО~2
NH3
+
б) Измерения молекулярной массы дали
приблизительную величину 1200.
в) Пептид не подвержен гидролизу под
действием фермента карбоксипептида-
зы.
г) Обработка исходного полипептида
фтординитробензолом с последующим
полным гидролизом образовавшегося
производного и хроматографировани-
ем полученных продуктов дает лишь
свободные аминокислоты и производ-
производное следующего строения:
O2N
Н
I
•NH—СН,—СН,—СН«—С—СО,"
+NH3
(Подсказка: учтите, что 2,4-динитрофе-
нильная группа присоединилась не к
а-азоту, как это обычно имеет место,
а к аминогруппе боковой цепи.)
д) Частичный гидролиз полипептида с по-
последующим хроматографическим раз-
разделением полученных продуктов и оп-
определением в них аминокислотных по-
последовательностей дал следующие ди-
и трипептиды (N-концевая аминокисло-
аминокислота всегда расположена слева);
Leu—Phe Phe—Pro Phe—Pro—Val
Val—Orn—Leu Orn—Leu
Val—Orn Pro—Val—Orn
Исходя из приведенной выше информа-
информации, попытайтесь восстановить амино-
аминокислотную последовательность поли-
полипептидного антибиотика. Поясните ва-
ваши рассуждения. После того как у вас
будет готов ответ, вернитесь назад
и проверьте, насколько установленная
вами структура согласуется с каждым
из описанных выше наблюдений.
ГЛАВА 7
ФИБРИЛЛЯРНЫЕ БЕЛКИ
Белки можно разделить на два ос-
основных класса: фибриллярные белки-рас-
белки-расположенные параллельно друг другу вы-
вытянутые полипептидные цепи, образую-
образующие длинные нити или слои, и глобу-
глобулярные белки, в которых полипептидные
цепи плотно свернуты в компактные
структуры сферической формы-гло-
формы-глобулы. В этой главе мы рассмотрим трех-
трехмерную структуру фибриллярных бел-
белков. В биологическом отношении фи-
фибриллярные белки играют очень важную
роль, связанную с анатомией и физиоло-
физиологией животных. У крупных позвоночных
на долю этих белков приходится одна
треть (или более) общего содержания
белков. Из фибриллярных белков —
главных компонентов наружного слоя
кожи, волос, перьев, когтей и рогов - фор-
формируются наружные защитные покровы
тела животных и человека. Фибрил-
Фибриллярные белки участвуют также в образо-
образовании опорных и формообразующих эле-
элементов, так как они служат главным
органическим материалом соединитель-
соединительной ткани, включая хрящи, сухожилия,
кости и более глубокие слои кожи.
Есть еще одна причина, по которой мы
расскажем сначала о фибриллярных бел-
белках. Они имеют более простую структу-
структуру, чем глобулярные белки, и поэтому их
трехмерная структура была определена
методом рентгеноструктурного анализа
немного раньше, чем трехмерная струк-
структура глобулярных белков. Результаты
этих пионерских исследований не только
привели к формированию новых пред-
представлений о структуре и функции фи-
фибриллярных белков, но и стали важной
вехой на пути к изучению методом рент-
рентгеноструктурного анализа структуры
и функции глобулярных белков.
7.1. Термины «конфигурация»
и «конформация» имеют
разный смысл
В этой и следующей главе мы рассмо-
рассмотрим вопрос о пространственном распо-
расположении полипептидных цепей. Но пре-
прежде всего мы должны точно определить,
что означают два термина, часто исполь-
используемые при обсуждении пространствен-
пространственной структуры молекул: конфигурация
и конформация. Эти слова-не синонимы.
Под конфигурацией подразумевают про-
пространственную организацию органиче-
органической молекулы, определяемую наличием
в ней 1) двойных связей, вокруг которых
свободное вращение невозможно, и 2)
хиральных центров с расположенными
вокруг них в определенной последова-
последовательности замещающими группами. На
рис. 7-1 показана конфигурация фумаро-
вой кислоты- одного из промежуточных
соединений углеводного обмена-и кон-
конфигурация ее изомера -малеиновой кис-
кислоты, встречающейся в некоторых расте-
растениях. Эти соединения представляют со-
собой геометрические, или цис-транс-мзо-
меры; они различаются расположением
замещающих групп относительно двой-
двойной связи. Фумаровая кислота-это
транс-изомер, а малеиновая кислота-
^ыс-изомер; и в том и в другом случае мы
имеем дело со строго определенным со-
соединением, которое можно получить
в чистом виде. На рис. 7-1 изображены
166
ЧАСТЬ 1 БИОМОЛЕКУЛЫ
Геометрические {иис-транс)
изомеры
НООС
Н
сс
/сс\
н соон
Фумаровая кислота
Н
\с
/ \
НООС СООН
Мапеиновая кислота
(чмс-изомер)
Оптические изомеры
(энантиомеры)
СООН
H2N — С— Н
СНз
L-аланин
СООН
Н~С—NH2
СН3
D-алшши
Рис. 7-1. Конфигурация стереоизомеров. Такие
изомеры нельзя превратить один в другой без
разрыва ковалентных связей.
также L- и D-изомеры аланина (см.
рис. 3-8 и 5-4), в которых замещающие
группы имеют две различные конфигура-
конфигурации относительно хирального центра.
Отличительным признаком конфигура-
конфигурационных изомеров является то, что их
нельзя превратить один в другой без раз-
разрыва одной или большего числа кова-
ковалентных связей.
Термин конформация используют для
описания пространственного расположе-
расположения в органической молекуле замещаю-
замещающих групп, способных свободно изме-
изменять свое положение в пространстве без
разрыва каких бы то ни было связей бла-
благодаря свободному вращению вокруг
одинарных углерод-углеродных связей.
Например, для простого углеводорода
этана характерна полная свобода враще-
вращения вокруг одинарной С—С-связи. По-
Поэтому молекула этана может принимать
множество различных конформации в за-
зависимости от угла поворота одного ато-
атома углерода относительно другого; од-
однако все* эти конформации легко перехо-
переходят одна в другую в результате вращения
замещающих групп вокруг С—С-связи.
Заторможенная конформация этана
(рис. 7-2) более устойчива по сравнению
со всеми остальными и поэтому встре-
встречается чаще других, тогда как заслонен-
заслоненная конформация наименее устойчива.
Ни одну из этих двух конформационных
форм этана невозможно выделить в чи-
чистом виде, так как между ними суще-
существует равновесие и они свободно пере-
переходят одна в другую. Однако, как можно
предположить, исходя из моделей, пред-
представленных на рис. 7-2, если в молекуле
этана один или большее число атомов
водорода, связанных с двумя атомами
углерода, заменить на более крупные или
электрически заряженные функцио-
функциональные группы, то свобода вращения
Наклонная проекция
Н
Вид с торца
41
н
Заторможенная
конфирмация
Н
н
Заторможенная
конформация
н
Г
С
V
Заслоненная
конформация
Заслоненная
конформация
Рис. 7-2. Две крайние конформации молекулы
этана. Благодаря свободному вращению вокруг
одинарной С—С-связи возможны и многие
другие конформации. Различные
конформационные формы легко переходят одна
в другую, и их нельзя отделить друг от друга.
Заторможенная конформация наиболее
устойчива и преобладает над всеми другими.
ГЛ. 7. ФИБРИЛЛЯРНЫЕ БЕЛКИ
167
вокруг одинарной С—С-связи окажется
сильно ограниченной, что существенно
уменьшит число возможных конформа-
ций молекулы этана.
7.2. Как это ни парадоксально,
нативные белки имеют только
одну или всего лишь
несколько конформаций
Поскольку в ковалентном остове поли-
полипептидной цепи все связи одинарные,
можно было бы ожидать, что полипеп-
полипептид способен принимать в пространстве
бесконечное число конформаций. Более
того, естественно было бы предполо-
предположить, что конформация полипептида
претерпевает постоянные изменения
вследствие теплового движения и беспо-
беспорядочного вращения участков цепи во-
вокруг каждой из одинарных связей кова-
лентного остова. Поэтому может пока-
показаться парадоксальным тот факт, что
полипептидная цепь нативного белка
в нормальных биологических условиях -
при обычной температуре и нейтральных
значениях рН- имеет только одну или
очень небольшое число конформаций.
Эта нашивная конформация достаточно
устойчива: если выделение белка вести
осторожно, избегая воздействий, приво-
приводящих к развертыванию цепей и денату-
денатурации, то выделенный белок может пол-
полностью сохранить свою биологическую
активность. Это свидетельствует о том,
что вокруг одинарных связей полипеп-
полипептидного остова в нативных белках сво-
свободное вращение невозможно. И мы ско-
скоро убедимся, что это действительно так.
Но сначала мы вкратце ознакомимся
с биологией кератинов -фибриллярных
белков, структура которых дала ключ
к изучению конформаций белков.
7.3. ос-Кератины-
фибриллярные белки,
синтезируемые
клетками эпидермиса
а-Кератины-это основной тип фи-
фибриллярных белков, из которых обра-
образуются наружные защитные покровы по-
позвоночных. На их долю приходится
почти весь сухой вес волос, шерсти, перь-
перьев, рогов, ногтей, когтей, игл, чешуи,
копыт и черепа