Глава 1 Важные биомолекулы

Атомы и элементы

Давайте немного вспомним школьный курс химии. Привычный нам материальный мир состоит из атомов – мельчайших частиц. Представьте себе, что атомы – это автомобили на улице, их несчетное количество! А вот моделей автомобилей – ограниченное количество. Есть огромные «Бентли Континенталь» и крошечные «Дэу Матиз». С атомами все то же самое. Их бессчетное количество в мире, но вот видов атомов на 2023 год было описано всего 118. Есть атомы-крошки, и есть атомы-гиганты. Виды атомов называются химическими элементами, и именно эти элементы собраны в Периодическую таблицу Д. И. Менделеева. Так, самый маленький атом – это водород (H) с атомной массой, принятой за единицу, а самый большой на данный момент атом оганесона (Og) в своей наиболее устойчивой форме имеет массу 294, то есть он почти в 300 раз тяжелее водорода!


Рисунок 1. Самый маленький – атом водорода и самый большой на 2023 год – атом оганесона


Что будет, если в одном месте соберется много автомобилей? Как минимум пробка, а то и ДТП. В отличие от железных коней атомы способны к продуктивной совместной деятельности. Образуя химические связи, атомы объединяются в молекулы. Например, молекула воды состоит всего лишь из 3 атомов – двух водорода и одного кислорода (H2O), в то время как молекула сахарозы (самый обычный пищевой сахар) состоит уже из 12 атомов углерода, 22 атомов водорода и 11 атомов кислорода (С12Н22О11). Но это не идет ни в какое сравнение с так называемыми биополимерами – исполинскими молекулами, благодаря которым существует жизнь, например ДНК. Там счет идет на сотни миллионов атомов. Справедливости ради надо отметить, что далеко не все вещества имеют молекулярную структуру. Например, та же поваренная соль – хлорид натрия (NaCl), хоть и состоит всего из двух элементов, имеет кристаллическую структуру, в который атомы упорядоченно стоят каждый на своем месте в так называемых углах кристаллической решетки. Практически совершенным примером кристалла можно считать и алмаз, состоящий только лишь из углерода. Если же в алмазе появляются атомы других элементов, например бора, получаются исключительно редкие цветные камни (в случае с бором после огранки получаются голубые бриллианты, и их всего 0,02 % от мировой добычи).


Рисунок 2. Схемы кристаллической решетки хлорида натрия и алмаза


Среди всех элементов в живых системах выделяют макроэлементы, которые, как атланты, держат на плечах весь груз функционирования биологических молекул (это углерод – С, водород – H, азот – N, кислород – O) и микроэлементы, которых значительно меньше, если сравнивать в «штуках», но роль их так же важна (это фосфор – F, кальций – Ca, сера – S, йод – I, селен – Se и т. д.).

Для существования жизни и для того, чтобы организмы могли расти, развиваться и размножаться, эволюция создала несколько классов биологических молекул. К этим классам относятся белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. Первые три класса вам могут быть знакомы как основные нутриенты, и диетологи призывают следить за тем самым балансом БЖУ.

С точки зрения химии внутри каждого класса биологических молекул присутствуют единство структуры. Оставив в стороне нуклеиновые кислоты (это все-таки в поле интересов генетики), познакомимся с каждым из классов по отдельности. Но для полной картины узнаем еще об одной очень интересной и гораздо более разрозненной по структуре группе веществ – витаминах. Но для полной картины познакомимся еще с одной очень интересной и гораздо более разрозненной по структуре группой веществ – витаминами. Они нам очень пригодятся, когда дальше будем обсуждать непосредственно ферменты.

Белки

Философы прошлого говорили, что жизнь – это форма существования белковых тел. Правы они или нет, судить не нам. Лучше перенесемся на зарю зарождения жизни на Земле. Около 4 миллиардов лет назад на очень еще юной планете (тогда ей было всего-то полмиллиарда лет) стали появляться первые биомолекулы. Что было раньше – белки или нуклеиновые кислоты (а именно РНК), на данный момент однозначного ответа нет. Более подробно вы можете прочитать об этом в других замечательных книгах, например в книге Михаила Никитина «Происхождение жизни. От туманности до клетки». Самое главное, что к этому моменту уже существовали небольшие молекулы – аминокислоты.

Аминокислоты состоят из атомов углерода, водорода, азота и кислорода (в некоторых еще есть сера). Главная особенность этих молекул в том, что в их структуре есть две группы атомов, которые мы будем называть дальше функциональные группы, а именно, карбоксильная группа (—СООН группа) и аминогруппа (—NH2). Эти две группы охотно реагируют между собой, образуя особую химическую связь, так называемую пептидную. Полученную молекулу называют пептид, а точнее дипептид, поскольку она пока состоит из двух остатков аминокислот.

Та аминокислота, которая «отдала» в образование пептидной связи карбоксильную группу, будет называться N-концевая, поскольку у нее осталась непрореагировавшая аминогруппа.

Вторая аминокислота будет тогда С-концевой, поскольку у нее осталась свободная карбоксильная группа. Именно эта карбоксильная группа в природе дальше способна образовать еще одну пептидную связь с третьей аминокислотой. С-конец сместится на один остаток аминокислоты вперед. Так будут получаться трипептиды, тетрапептиды и т. д.


Рисунок 3. Из двух аминокислот получается дипептид


В лаборатории задача пептидного синтеза очень трудоемкая и требует долгих часов искусной работы химика-органика. Сейчас существуют автоматизированные системы синтеза пептидов, но все равно это задача, которую «на коленке» решить не удастся. Парадоксально, что даже в тот момент, когда химик в поте лица синтезирует какой-нибудь скромный трипептид, в его клетках легко и непринужденно с биологических конвейеров по производству белков – рибосом – сходят все новые и новые полипептиды, состоящие из 100, 200 и даже 500 остатков аминокислот.

Эти полипептиды похожи на огромные товарные поезда, в которых вагонов (то есть аминокислотных остатков) так много, что кажется будто эта вереница не закончится никогда.

Самый длинный полипептид в организме человека – титин, который состоит из почти 40 тысяч «вагонов» (если быть точным, то 38 138) и включает в себя более 422 тысяч атомов. Его биологическая роль заключается в сокращении поперечнополосатых мышц (например, камбаловидной мышцы в икрах). Так что, когда в следующий раз будете недовольны формой своей мускулатуры, задумайтесь, что за каждое движение ваших ног отвечают белки-рекордсмены.

Иногда два полипетида объединяются в одну молекулу с помощью других видов химической связи. Так, например, образуется молекула инсулина, пожалуй, одного из самых знаменитых представителей класса пептидов. Он состоит из 2 небольших пепетидных цепей в 21 и 30 аминокислотных остатков, которые соединяются с помощью связи между атомами серы (дисульфидные связи).

Для большинства белков помимо самого синтеза первичной пептидной цепи очень важно эту цепь правильно уложить в пространстве. Неупорядоченная цепь собирается в так называемый статистический клубок, и редко когда от такого клубка можно добиться толку. Для реализации биологических функций белок должен принять правильную «конформацию», словом, из клубка надо связать свитер.

Аминокислотная последовательность называется первичной структурой, но кроме нее существуют еще вторичная, третичная и даже четвертичная структуры.

Вторичная структура позволяет из полипептидной цепи собрать «листы» (их называют бета-листы или бета-слои) или спираль (альфа-спираль).

Третичная структура подразумевает организацию элементов вторичной структуры в «шарики»-глобулы. Иногда отдельные глобулы собираются в так называемые олигомерные белки – так получается четвертичная структура.



Рисунок 4. Примеры первичной, вторичной, третичной и четвертичной структур


Структура белка играет очень важную роль в выполнении им своей функции. Одна из любимых концепций в химии белка называется «связь структура – функция», которая отражает возможности предсказать функции белка по его структуре и управлять функциями белка, изменяя структуру.

А функций у белков множество. Принято выделять несколько групп (как минимум 8), объединяющих белки со схожими функциями.

Структурные белки, например, призваны обеспечить прочность и форму клеток, тканей и органов. Вы, наверное, помните о коллагене – важном белке наших кожи, хрящей, сухожилий. А волосы? Волосы – это, конечно, кератин, структурный белок с замечательными механическими свойствами. Благодаря массовой культуре и бьюти-индустрии коллаген и кератин являются, пожалуй, самыми медийными белками и ассоциируются с молодостью и красотой. И в этом есть большая доля правды!

Есть и другой класс белков, репутацию которым в массовом сознании сделала реклама. Это ферменты, и в первую очередь пищеварительные. Но поверьте, одними лишь ими многообразие ферментов не ограничивается!

Строго говоря, ферменты – белки, которые катализируют химические реакции в организме, ускоряя их скорость и обеспечивая эффективность всех биологических процессов. О них мы поговорим очень подробно в этой книге (см. следующую главу).

Отдельно рассматривают как вещества белковой природы некоторые гормоны. Например, очень известный гормон инсулин имеет пептидную природу. Они выступают в качестве регуляторов основных процессов, таких как обмен веществ, рост, развитие и другие.

Транспортные белки переносят различные вещества, такие как кислород и питательные вещества, по всему организму. Основной белок плазмы крови человека – альбумин, его называют «молекула-такси», потому что он помогает переносить самые разнообразные вещества по кровотоку.

А какие еще примеры? Рассмотрим транспорт железа в организме. Что сразу приходит на ум? Конечно, гемоглобин! Но при этом «рука об руку» с ним идет ферритин – белок, который выполняет запасающую функцию. Он работает «депо» железа в организме.

Защитные белки представляют собой антитела, которые борются с инфекциями и болезнями. Это наша иммунная память о встречах с различными патогенами. Пандемия COVID‑19 научила практически всех следить за уровнем пресловутых IgG и IgM, которые отражают наличие или отсутствие иммунитета к этой инфекции.

Мы уже упомянули белок титин, который выполняет двигательную функцию, ему в помощь приходят актин и миозин, участвующие в сокращении мышц, – моторные белки. Многие белки выполняют сигнальную роль, помогая клеткам обмениваться информацией и командами. Кроме этого, существуют еще и регуляторные белки, и ряд других более мелких подклассов.

В заключение отметим, что белки являются важнейшими молекулами в организме человека, участвующими в различных функциях и процессах. На планете Земля жизнь и правда – форма существования белковых тел. Разнообразие белков обеспечивает адаптивность организма, поддерживая здоровье и нормальное функционирование всех систем.

А пока пришел черед знакомится с самым сладким (а может и нет…) классом биомолекул – углеводами!

Углеводы

Углеводы в химии часто называют сахарами, потому что многие углеводы простого строения и правда имеют сладковатый вкус. Пожалуй, самый известный сахар – это сахароза, источниками которого являются сахарная свекла и сахарный тростник. Сахароза присутствует в меде, нектаре цветов, соках некоторых фруктов и овощей, а также в некоторых видах зерновых и бобовых культур.

Но сама сахароза представляет собой молекулу, собранную из двух простых молекул углеводов (их еще называют моносахариды). Глюкоза и фруктоза, которые собираются в сахарозу, молекулы похожие друг на друга настолько, что в них присутствует одинаковое количество атомов каждого из элементов: углерода, водорода и кислорода. Брутто-формула[1] и глюкозы, и фруктозы записывается одинаково: С6Н12О6, а вот структура молекул разная. Явление существования разных структур при одинаковой брутто-формуле называется в химии изомерией. Таким образом, глюкоза и фруктоза – изомеры.

Разберем структуру этих молекул. Обе они, на первый взгляд, линейные и содержат 5 спиртовых групп и одну карбонильную. У глюкозы карбонильная группа[2] расположена с краю молекулы. Такая группа называется альдегидной (если увлекаетесь парфюмерией, то вы знаете про альдегидные ноты в ароматах – это те же альдегиды, но другого строения). Альдегиды – химически весьма активные соединения, и чтобы подчеркнуть наличие такой интересной особенности, моносахарид с альдегидной группой называется альдозой.

Фруктоза, напротив, на конце молекулы имеет спиртовую группу, а карбонильную «упрятала» в глубь молекулы. Такие моносахариды называются кетозы, потому что молекулы с карбонильной группой в середине называются кетоны. Кето-группа химически неактивная. Простейший кетон – ацетон – и вовсе используется в быту как растворитель (и даже использовался раньше как жидкость для снятия лака с ногтей).


Рисунок 5. Глюкоза и фруктоза – изомеры. В первом случае есть альдегидная группа, а во втором – кето-группа. А набор атомов в обеих молекулах совершенно одинаковый


Итак, глюкоза и фруктоза – молекулы-сестры, альдоза и кетоза. Образуя друг с другом гликозидную связь, они превращаются в сахарозу.

Но это совсем не единственный вариант! Если вместо фруктозы взять в подруги глюкозе галактозу (тоже альдозу), получится молочный сахар – лактоза. Мы о ней обязательно еще поговорим в следующих разделах.

Лактоза и сахароза – дисахариды, так как состоят из остатков двух моносахаридов. Но что, если в одну молекулу объединить сразу много моносахаридов? Получатся полисахариды. На самом деле между моносахаридами и полисахаридами еще есть подкласс олигосахаридов, состоящих из нескольких моносахаридов – о них мы также поговорим позднее.

Полисахариды исключительно разнообразны: они могут комбинироваться из огромного количества разных моносахаридов, ветвиться, задействовать различные типы гликозидных связей. Чем-то это напоминает несколько наборов лего, тщательно перемешанных в одном контейнере, – комбинаций множество, и иногда возможны самые удивительные варианты. Кирпичиков – моносахаридов – ведь много, гораздо больше, чем например канонических аминокислот.

Вот, например, крахмал. Картофельный или кукурузный – не суть важно, главное, что это запасное питательное вещество растений. Это вещество растение должно легко синтезировать, когда есть задача отложить пропитание «на черный день», и так же легко его «разбирать» на составные части, когда придет час.

Крахмал представляет собой очень много (до десятков тысяч) молекул глюкозы, соединенных в линейные участки. Такие длинные цепочки объединяются дальше, образуя разветвления. Условно говоря, крахмал состоит из двух типов «кубиков»: линейных участков амилозы и разветвленных участков амилопектина.

При расщеплении крахмала сначала получаются крупные фрагменты цепочек глюкоз, потом все мельче и мельче до тех пор, пока не останутся лишь молекулы глюкозы. Их легко отправить в базовую метаболическую «топку» – такой процесс принято называть гликолизом.

Но некоторые полисахариды не предназначены для быстрого доступа к глюкозе. Напротив, они должны оставаться стабильными и неизменными так долго, как это возможно. Это, например, целлюлоза, которая, как и крахмал, собрана из множества глюкоз, только вот способ соединения (тип гликозидной связи) в целлюлозе другой, и сама молекула полностью линейная, без ответвлений.

Это способствует формированию волокон целлюлозы и в конце концов образованию таких крепких (особенно по сравнению с клубнями картошки) объектов, как древесина. Добывать из древесины сахар – дело неблагодарное, но целлюлозу неплохо научились переваривать жвачные животные – коровы и пр. Для этого пришлось «изобретать» желудок сложного строения, а также прибегать к помощи микроорганизмов – микробиотов пищеварительной системы.