Белки - полимеры аминокислот. Полисахариды-полимеры сахаров

Металлы, которые используются для изготовления корпусов и моторов автомобилей, химически сильно отличаются от нефтепродуктов, используемых в качестве смазки и горючего для них. Природа более экономна-одни и те же немногие элементы она использует и для построения тканей живого организма, и для накопления и передачи энергии, причем вся эта энергия фактически создается Солнцем.

Белки - полимеры аминокислот. Полимеры-гигантские молекулы, построенные из последовательно связанных друг с другом достаточно простых фрагментов,- являются основой растительных и животных тканей. Так, белки-это полимеры аминокислот, небольших молекул, содержащих аминогруппу и карбоксильную группу. Эти две группы из разных молекул, взаимодействуя друг с другом, образуют химическую связь между молекулами, при этом отдельные молекулы связываются в очень длинные цепи. Простейшие из белков, например инсулин, состоят примерно только из 50 остатков аминокислот, тогда как во многих белках вместе связаны сотни остатков аминокислот.

В организме животных белки как служат для построения тканей, так и участвуют в различных биохимических процессах. Например, белок коллаген принадлежит к обычным «строительным материалам» организма, в частности входит в состав сухожилий. Тонкий «канатик» сухожилий из перекрученных между собой молекул коллагена обладает прочностью легкой стальной проволоки. Другой «строительный» белок-кератин-содержится в тканях копыт, волос, рогов и перьев. Актин и миозин входят в состав мышечной ткани. Белки также являются основным, а в некоторых случаях и единственным компонентом ферментов-клеточных катализаторов, которые ускоряют протекание биохимических реакций, и антител, защищающих организм от микроорганизмов, несущих инфекцию.

Осуществление столь разных функций оказывается возможным благодаря различию физической структуры белков. В зависимости от пространственного строения и химических свойств боковых цепей, имеющихся в отдельных аминокислотах, в целом молекула белка может оказаться как вытянутой в тонкую длинную нить, так и свернутой в клубок. Белок может содержать группы, несущие электрический заряд, а также атомы серы, способные связывать отдельные аминокислоты одной цепи или разных цепей мостиковыми связями. Так, в инсулине две аминокислотные цепи связаны друг с другом атомами серы. В цитохроме С атом серы образует связь с молекулой небелкового характера (гемом).

Инсулин содержит остатки 33 аминокислот (желтый цвет), образующих белок проинсулин. Две цепи молекулы инсулина соединены ковалентными связями при помощи мостиков из атомов серы

Аминокислоты, входящие в состав белков, содержат углерод (черный), азот (голубой), водород (белый) и кислород (красный). Водородные связи (красные) удерживают одну цепь молекул вблизи другой

Некоторые белки могут быть очищены настолько, что образуют кристаллы. Вырастив достаточно большие кристаллы, можно произвести их рентгеноструктурный анализ. Миоглобин - белок, который принимает участие в переносе кислорода при сокращениях мышц,- содержится и во многих других тканях организма. На рисунке изображены (в 40-кратном увеличении) кристаллы миоглобина, выделенного из спермы китов.

Если пучок рентгеновских лучей, прошедший через кристалл, направить на фотопластинку, то на ней возникает дифракционная картина (А). Анализируя с помощью ЭВМ взаиморасположение и интенсивность тысяч дифракционных пятен на разных фотоснимках, получают кривую распределения электронной плотности в молекулах вещества. Такие «карты» электронной плотности при наложении друг на друга показывают расположение отдельных атомов в молекуле белка (Б) и позволяют построить трехмерную модель молекулы (В). Белые трубки на модели молекулы миоглобина указывают направление изгибов основного остова полимерных белковых цепей. Они со всех сторон опоясывают плоскую, напоминающую плотик, группировку гема, в центре которой находится атом железа (красные шарики). В зависимости от условий этот атом либо связывает, либо, напротив, отдает кислород в ходе биохимических процессов в клетке

Полисахариды-полимеры сахаров. Существенным компонентом тканей растений являются полисахариды-полимеры, образованные из небольших молекул сахаров, при превращениях которых в клетке выделяется энергия.

Установлено, что до 50% массы углерода, содержащегося в ткани растений, приходится на целлюлозу-полимер глюкозы. В некоторых формах целлюлоза находит практическое применение — например, хлопок на 98% состоит из целлюлозы.

Основным полимером, обеспечивающим энергетические запасы организма, является крахмал, в состав которого входят два типа полимерных молекул-амилоза и амилопектин. Подобно целлюлозе, амилоза представляет собой полимер глюкозы, в котором фрагменты глюкозы образуют неразветвленную цепь. Единственное различие в структуре этих полимеров заключается в пространственной направленности связей соседних звеньев макромолекулы.

Этого различия оказывается достаточно для того, чтобы крахмал легко усваивался организмом человека и был питательным продуктом, а целлюлоза совершенно не усваивалась.

Многие другие сахара, помимо глюкозы, также образуют полисахариды. Так, хитин, твердый материал панциря насекомых, крабов и раков, представляет собой полимер аминосахаров. Альгинаты, важные добавки к пищевым продуктам, которые способствуют образованию пены в пиве и придают нежный вкус супам-концентратам, являются полисахаридами морских водорослей, а пектины, которые широко используют в производстве джемов и мармелада, в заметных количествах содержатся в яблоках. К полисахаридам относятся природные клеи, например гуммиарабик, а также гепарин-важное соединение, препятствующее свертыванию крови и используемое при лечении тромбоза.

Полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты принадлежат к основным биополимерам. Однако существуют и другие. Так, натуральный каучук представляет собой полимер ненасыщенного углеводорода изопрена: в молекуле каучука 1-5 тыс. молекул изопрена соединены друг с другом. Стенки клеток некоторых бактерий образованы смешанным полимером, полученным из сахаров и аминокислот. На фотографии, сделанной с помощью электронного микроскопа (увеличение 280000), изображена часть внешней стенки клетки бактерии Clostridium thermohydro- sulfuricum. При таком увеличении можно увидеть отдельные субъединицы ее структуры, расположенные правильными рядами

Нуклеиновые кислоты. Хотя нуклеиновые кислоты содержатся в клетках не в таких больших количествах, как белки или полисахариды, они принадлежат к числу важнейших полимеров. Нуклеиновые кислоты обеспечивают передачу наследственной информации, которая определяет развитие любых клеток, независимо от того, являются ли они клетками человека или мыши, содержатся в печени человека или мышином хвосте. Полинуклеиновые кислоты способны точно воспроизводить самих себя, благодаря чему каждый биологический вид воспроизводит себя в своем потомстве. Они также управляют синтезом белка в организме, обеспечивая не только производство различных ферментов, но и контроль за всеми процессами, происходящими в тканях живого организма.

Нуклеиновые кислоты содержат тысячи звеньев нуклеотидов, в каждое из которых входят азотистое основание и остаток фосфорной кислоты, связанные с одним из двух сахаров - рибозой (в РНК) или дезоксирибозой (в ДНК). Благодаря свойствам азотистых оснований две цепи нуклеиновых кислот в ДНК точно соответствуют друг другу, объединяясь в «двойную спираль».

Синтетические каучуки и пластмассы также относятся к полимерам и часто являются искусственными аналогами природных молекул. Стекло и аналогичные материалы принадлежат к неорганическим полимерам.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) является основной молекулой жизни. Она существует в виде двойной спирали, в которой две взаимодополняющие цепи (тяжи) полимера удерживаются вместе водородными связями. Последние возникают между азотистыми основаниями