Органические вещества: белки, углеводы, липиды

Органических веществ в клетке тысячи, но экзамен спрашивает всего о четырёх классах: белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты. У трёх из них (все, кроме липидов) устройство одинаковое, и если понять его один раз, половину темы можно не заучивать.

Принцип называется полимер из мономеров. Мономер — небольшая молекула-кирпичик; полимер — длинная цепь, собранная из множества таких кирпичиков. Белок собран из аминокислот, полисахарид — из моносахаридов, нуклеиновая кислота — из нуклеотидов. Сборка всегда идёт одинаково: от одного мономера отщепляется водород, от другого — гидроксильная группа, они соединяются в молекулу воды, а между мономерами возникает связь. Такая реакция называется реакцией конденсации. Обратный процесс — гидролиз: чтобы разорвать связь, к ней присоединяют молекулу воды. Именно гидролиз идёт в пищеварении, и поэтому мы не усваиваем чужой белок как белок: его сначала разбирают до аминокислот, а уже из них строят свой.

Зачем природе полимеры? Из двадцати разных кирпичиков можно собрать невообразимое число разных цепей: вариантов цепочки из ста аминокислот больше, чем атомов в наблюдаемой Вселенной. При этом кирпичики стандартные — их легко производить, запасать и перерабатывать. Получается система, где из немногих типовых деталей строится безграничное разнообразие. На этой идее держится вся молекулярная биология.

Липиды выпадают из схемы: они не полимеры, их молекулы просто крупные и неполярные. Поэтому и функции у них другие — не информация и не катализ, а запас энергии и барьер.

До 1828 года химия делилась надвое, и деление считали непреодолимым. Минеральные вещества можно собрать в колбе, а вещества живого — сахар, жир, мочевину — получаются только внутри организма, потому что для них нужна «жизненная сила», vis vitalis. Так учил Йёнс Берцелиус, самый авторитетный химик эпохи, и спорить было не с чем: ни одного органического вещества в лаборатории никто не синтезировал.

Затем немецкий химик Фридрих Вёлер выпаривал раствор цианата аммония — соль, вполне минеральную, — и получил бесцветные кристаллы. Он узнал их: это была мочевина, то самое вещество, которое выделяют с мочой животные. Вёлер написал Берцелиусу знаменитую фразу о том, что может делать мочевину, не нуждаясь ни в почке, ни в животном вообще.

Что именно опыт доказал и чего не доказал — это тонкость, которую полезно понимать. Он не доказал, что живое устроено как неживое: клетка и сегодня делает то, чего колба не умеет. Он доказал другое: вещества живого подчиняются обычным законам химии, у них нет особой сущности, и их можно изучать теми же методами. Именно после Вёлера стало осмысленным спрашивать, как устроен белок и почему он работает, — а до него ответом было «потому что живое».

Для нас отсюда следует рабочий принцип всего урока: у каждого свойства биомолекулы есть химическая причина. Белок сворачивается не «потому что так надо клетке», а потому что его гидрофобные участки прячутся от воды. Крахмал усваивается, а целлюлоза нет, не по воле организма, а из-за разной ориентации одной-единственной связи. Дальше мы разберём эти причины поимённо.

Фридрих Энгельс писал в «Анти-Дюринге» (1878): «Жизнь есть способ существования белковых тел». Сказано до появления молекулярной биологии, а по сути верно: почти всё, что клетка делает, она делает белками.

Мономер. Все белки Земли собраны из одних и тех же 20 аминокислот. Устроена аминокислота просто: центральный атом углерода, к нему присоединены аминогруппа NH₂ (она даёт основные свойства), карбоксильная группа COOH (кислотные свойства), атом водорода и радикал R — та единственная часть, которой аминокислоты различаются. Наличие сразу кислотной и основной групп делает аминокислоты амфотерными: они реагируют и с кислотами, и со щелочами, и именно поэтому белок работает буфером.

Связь. Карбоксильная группа одной аминокислоты соединяется с аминогруппой соседней, отщепляется вода, возникает пептидная связь (—CO—NH—). Цепочка из аминокислот называется полипептидом. Важное следствие для расчётов: если аминокислот n, то пептидных связей n − 1, и молекул воды при сборке выделится столько же.

Четыре уровня структуры. Их надо различать не по названиям, а по тому, что именно держит структуру:

— первичная — последовательность аминокислот, держится пептидными (ковалентными, самыми прочными) связями. Это и есть запись наследственной информации, перенесённая с гена; — вторичная — спираль или складчатый слой, держится водородными связями между группами самой пептидной цепи; — третичная — глобула, объёмный клубок; держится гидрофобными взаимодействиями (неполярные радикалы прячутся внутрь от воды), водородными и ионными связями, а также прочными дисульфидными мостиками S–S между остатками цистеина; — четвертичная — несколько глобул, объединённых в один комплекс. Есть не у всех белков.

Классический пример четвертичной структуры — гемоглобин: четыре белковые цепи, в каждой по группе гема с атомом железа, и каждый атом железа держит одну молекулу кислорода. Отсюда и число: одна молекула гемоглобина переносит четыре молекулы O₂.

Разберём сборку белка по шагам — в заданиях второй части просят именно эти шаги.

Шаг 1. Аминокислота. У всех двадцати аминокислот белка одинаковая сердцевина: центральный атом углерода, к нему аминогруппа −NH₂ (основные свойства), карбоксильная группа −COOH (кислотные свойства) и атом водорода. Из-за того что в одной молекуле есть и кислотная, и основная группа, аминокислоты амфотерны — этим объясняется их способность работать буфером. Четвёртое место занимает радикал R, и вот он у всех разный: у глицина это просто водород, у цистеина — группа с серой, у лейцина — жирный углеводородный хвост.

Шаг 2. Пептидная связь. Карбоксильная группа одной аминокислоты реагирует с аминогруппой другой: отщепляется молекула воды, а между углеродом и азотом возникает связь −CO−NH−. Это реакция конденсации, и она объясняет расчётные задачи: если в белке n аминокислот, то связей n − 1 и молекул воды выделилось n − 1, а масса белка меньше суммы масс аминокислот на массу этой воды (18 × (n − 1)). Обратный процесс — гидролиз, с присоединением воды; им белок и переваривается.

Шаг 3. Почему цепь не остаётся нитью. Дальше работают радикалы, и работают они в воде. Неполярные (гидрофобные) радикалы водой отталкиваются и сбиваются внутрь — так у глобулы образуется масляное ядро. Полярные и заряженные остаются снаружи, где им есть с чем связываться. Цепь сворачивается не по инструкции, а потому что в воде это энергетически выгодно. Отсюда, кстати, следствие: белок в мембране устроен наоборот — наружу у него смотрят гидрофобные участки, потому что вокруг не вода, а липиды.

Шаг 4. Что удерживает готовую форму. Первичную структуру — только прочные ковалентные пептидные связи. Вторичную (спираль или складчатый слой) — водородные связи между группами остова. Третичную — сразу несколько сил: гидрофобные взаимодействия, ионные между заряженными радикалами, водородные и самые прочные из них — дисульфидные мостики S−S между остатками цистеина. Четвертичная — объединение нескольких готовых цепей, как четыре цепи в гемоглобине.

Шаг 5. Главный вывод. Форма определена последовательностью. Замена одной аминокислоты меняет форму всей молекулы — и это не теория: в гемоглобине больного серповидноклеточной анемией на шестом месте β-цепи вместо глутаминовой кислоты стоит валин. Заряженный радикал заменён на гидрофобный, молекулы слипаются в нити, эритроцит принимает форму серпа. Одна буква в гене — и меняется целый организм.

Денатурация — разрушение вторичной, третичной и четвертичной структуры белка при сохранении первичной. Причины: нагревание, кислоты и щёлочи, соли тяжёлых металлов, спирт, облучение, механическое воздействие.

Механизм стоит проговорить, потому что за него дают балл. Вторичную и третичную структуру держат слабые связи — водородные, ионные, гидрофобные взаимодействия. Нагревание усиливает тепловое движение, слабые связи рвутся, глобула разворачивается в бесформенную нить. Пептидные связи при этом целы: последовательность аминокислот не изменилась. Поэтому денатурация обратима, пока цела первичная структура, и обратный процесс называется ренатурацией. Но развернувшиеся нити тут же слипаются друг с другом гидрофобными участками, и при сильном нагреве вернуться назад уже некому: белок свернулся необратимо. Это и происходит с яичным белком на сковороде — прозрачная жидкость становится белой и плотной.

Отсюда практические выводы, которые любят в заданиях:

— высокая температура убивает микробов, потому что денатурирует их ферменты (стерилизация, кипячение); — соли тяжёлых металлов (ртуть, свинец) ядовиты, потому что связывают серу белков и необратимо разрушают ферменты; — спирт обеззараживает по той же причине; — при температуре тела выше 42 °C человек погибает: денатурируют собственные ферменты; — молоко «свёртывается» от кислоты, а желудочный сок с pH около 1,5 денатурирует белки пищи, облегчая работу пепсина.

Полное разрушение белка, включая первичную структуру, называется деструкцией, и оно необратимо: цепь разорвана на куски.

Все ферменты — белки (единственное исключение — рибозимы, каталитические РНК; в школьном курсе им место только в примечании). Фермент — это биологический катализатор: он ускоряет реакцию, но сам в ней не расходуется и из неё выходит прежним.

Почему реакция ускоряется? Любой реакции нужно преодолеть энергетический барьер — энергию активации. Фермент связывает вещество-субстрат и удерживает его в положении, в котором связь рвётся легче, то есть понижает барьер. Скорость при этом растёт в миллионы раз: пероксид водорода сам по себе разлагается неделями, а капля крови или кусочек картофеля с ферментом каталазой заставляют его вскипеть пузырьками кислорода мгновенно.

Участок молекулы, куда садится субстрат, называется активным центром. Он собран из радикалов нескольких аминокислот, оказавшихся рядом при укладке глобулы, — то есть существует только у целого, неденатурированного белка. Форма активного центра точно соответствует форме субстрата; Эмиль Фишер в 1894 году предложил для этого образ «ключа и замка», и он до сих пор в ходу. Отсюда главное свойство — специфичность: амилаза расщепляет только крахмал, липаза — только жиры, а перепутать их местами нельзя.

Из белковой природы следуют все зависимости, которые спрашивают:

— температурный оптимум. До оптимума (у человека около 37 °C) скорость растёт: чаще столкновения. После — резко падает: белок денатурирует, активный центр теряет форму. График получается не прямой, а с горбом — это типичный рисунок в заданиях; — оптимум pH. Пепсин желудка работает при pH около 1,5–2, трипсин поджелудочной железы — при pH около 8, амилаза слюны — около 7. Сдвиг кислотности меняет заряды радикалов, форма активного центра портится; — многим ферментам нужны помощники — кофакторы (ионы металлов: цинк, магний, железо) или коферменты (производные витаминов). Отсюда прямая связь: нет витамина — не работает фермент — развивается авитаминоз.

В 1894 году Эмиль Фишер предложил образ, который до сих пор живёт в учебниках: фермент и субстрат подходят друг к другу, как ключ к замку. Форма активного центра точно повторяет форму субстрата, чужая молекула в него не входит — отсюда специфичность.

Образ хороший, но у него нашлось слабое место. Если активный центр — жёсткая ямка нужной формы, непонятно, почему многие ферменты ускоряют реакцию лишь после присоединения субстрата и почему вещества, очень похожие на субстрат, садятся в центр, но не превращаются. В 1958 году Даниел Кошланд предложил поправку: индуцированное соответствие. Активный центр не готовая ямка, а гибкая структура; субстрат, входя в него, сам достраивает его под себя, как рука достраивает форму перчатки. Только после этой подгонки химические группы центра встают точно там, где надо, и реакция идёт.

Обе модели сегодня в ходу: «ключ-замок» объясняет специфичность, индуцированное соответствие — механизм работы. Это хороший пример того, как научная идея не отменяется, а уточняется.

Что фермент делает физически. Он не «даёт энергию» и не «делает невозможное возможным». Он снижает энергию активации — тот барьер, который надо преодолеть, чтобы реакция началась. Достигается это тем, что активный центр удерживает молекулы в нужном положении друг к другу, оттягивает электроны, деформирует связь, которой предстоит разорваться. Реакция, которая без фермента шла бы годами, идёт за секунды: каталаза, разлагающая в клетке ядовитый пероксид водорода, — один из самых быстрых известных ферментов, одна её молекула успевает переработать миллионы молекул пероксида за секунду. Именно поэтому кусочек сырого картофеля или печени в перекиси вскипает пеной, а варёный — нет: при варке фермент денатурировал.

И два свойства, которые прямо следуют из белковой природы. Первое: зависимость от температуры. До определённого предела скорость растёт (молекулы чаще сталкиваются), затем резко падает — белок денатурирует, форма активного центра теряется. График получается не прямой, а с горбом, и от него любят спрашивать объяснение. Второе: зависимость от pH. Заряды радикалов в активном центре меняются вместе с кислотностью, поэтому у каждого фермента свой оптимум: у пепсина желудка — около 1,5–2, у ферментов поджелудочной железы в кишечнике — слабощелочная среда. Пепсин, вынесенный в кишечник, работать перестанет — не потому, что «устал», а потому, что его активный центр в такой среде теряет форму.

Общая формула углеводов — Cₙ(H₂O)ₘ, отсюда и старое название «углеводы», то есть «угле-воды». Делятся они по числу мономеров.

Моносахариды — один остаток. Главный — глюкоза (C₆H₁₂O₆), универсальное клеточное топливо; она же — единственное питание для клеток мозга. Фруктоза даёт сладость плодам и мёду. Особняком стоят пятиуглеродные рибоза и дезоксирибоза: они не топливо, а строительный материал РНК и ДНК — забыть об этом в задании на соответствие стоит балла.

Дисахариды — два остатка: сахароза (глюкоза и фруктоза, транспортная форма сахара у растений — именно она течёт по ситовидным трубкам и стоит на столе), лактоза (молочный сахар, глюкоза и галактоза), мальтоза (солодовый сахар из двух глюкоз, промежуточный продукт расщепления крахмала).

Полисахариды — сотни и тысячи остатков. И вот здесь самое интересное: крахмал, гликоген и целлюлоза построены из одной и той же глюкозы, а свойства у них противоположные. Всё решает, как именно соединены остатки.

— Крахмал — запас растений, цепи из α-глюкозы, частично разветвлённые. Откладывается зёрнами в клубнях, семенах, плодах. Синеет от йода — это школьная качественная реакция. — Гликоген — запас животных и грибов, «животный крахмал». Та же α-глюкоза, но ветвление гораздо чаще. Смысл ветвления в скорости: расщепление идёт с концов цепи, а чем больше ветвей, тем больше концов и тем быстрее печень и мышцы выбрасывают глюкозу в кровь при нагрузке. — Целлюлоза — опора, клеточная стенка растений. Цепи из β-глюкозы, строго линейные, уложены параллельно и связаны водородными связями в прочные волокна-микрофибриллы. Прочность на разрыв сопоставима со сталью того же сечения.

Именно тип связи объясняет ловушку, которую обязательно подсунут: человек не переваривает целлюлозу, хотя она из глюкозы. У нас нет фермента целлюлазы — он есть у бактерий и простейших в рубце коровы и в кишечнике термита. Поэтому корова питается травой, а человек ест клетчатку как балласт, стимулирующий работу кишечника.

Четвёртый важный полисахарид — хитин: он содержит азот, образует наружный скелет членистоногих и клеточную стенку грибов. Хитин в стенке гриба — примета, по которой грибы отличают от растений, и спрашивают об этом постоянно.

Крахмал и целлюлоза построены из одного и того же мономера — глюкозы. Формулы полимеров тоже совпадают. Но крахмал — это еда, а целлюлоза — древесина и вата. Разница держится на детали, которую надо уметь назвать.

В растворе молекула глюкозы замыкается в кольцо, и при замыкании гидроксильная группа у первого атома углерода может встать вниз или вверх относительно кольца. Первый вариант называют α-глюкозой, второй — β-глюкозой. Вещество одно, ориентация одной группы разная.

Дальше мономеры сшиваются в цепь. Из α-глюкозы получаются крахмал и гликоген: цепь при такой связи изгибается, сворачивается в спираль, молекула выходит компактной и рыхлой. Из β-глюкозы получается целлюлоза: каждый следующий остаток развёрнут относительно предыдущего на пол-оборота, цепь получается идеально прямой, прямые цепи укладываются рядом и сшиваются водородными связями в жёсткие пучки-микрофибриллы. Отсюда и свойства: крахмал легко набухает и гидролизуется, целлюлоза нерастворима и прочна на разрыв, как капроновая нить.

Теперь про пищеварение. Фермент амилаза имеет активный центр, подогнанный под α-связь. С β-связью он ничего сделать не может — форма не та. Фермента целлюлазы у человека и вообще у подавляющего большинства животных нет. Поэтому клетчатка проходит кишечник транзитом: она не питание, а механический раздражитель, который заставляет стенку кишечника сокращаться.

Как же тогда живут корова, лось, термит? Сами они целлюлозу тоже не переваривают. За них это делают симбионты: в рубце жвачных живут бактерии и инфузории, у термитов — жгутиконосцы в кишечнике, и целлюлазу вырабатывают именно они. Хозяин усваивает не траву, а продукты бактериального брожения и самих бактерий. Убери симбионтов — и корова умрёт от голода на полном сене. Это важная деталь: приспособленность к грубому корму — не свойство коровы, а свойство сообщества.

И третий полисахарид из той же глюкозы — гликоген, животный запас в печени и мышцах. От крахмала он отличается тем, что ветвится гораздо чаще. Причина функциональная: расщепление идёт с концов цепи, а чем больше ветвей, тем больше концов, — гликоген можно разобрать на глюкозу очень быстро, за секунды работы мышцы. Растению спешить некуда, и крахмал ветвится реже.

Липиды — не полимеры, а просто крупные неполярные молекулы, которые не растворяются в воде, но растворяются в бензине, эфире, хлороформе. Самая частая группа — жиры (триглицериды): молекула глицерина, к которой присоединены три остатка жирных кислот.

Жирные кислоты бывают насыщенные (без двойных связей, цепи прямые, плотно прилегают друг к другу — такие жиры твёрдые: сало, сливочное масло) и ненасыщенные (с двойными связями, цепь изогнута, плотно уложиться не может — жиры жидкие: подсолнечное, оливковое масло). Отсюда правило, работающее в обе стороны: у животных чаще твёрдые жиры, у растений и у рыб холодных морей — жидкие, иначе на морозе жир затвердел бы и перестал работать.

Почему жир — лучший запас. Расщепление 1 г жира даёт 38,9 кДж, тогда как 1 г углеводов или белков — только 17,6 кДж, то есть вдвое меньше. Причина химическая: в жирах углерод почти не окислен (мало кислорода в молекуле), а значит, при окислении из него можно извлечь больше энергии. Вдобавок жир гидрофобен и откладывается без воды, а гликоген запасается вместе с водой, увеличивая массу. Поэтому перелётная птица и медведь в спячке живут на жире: тот же запас энергии весит в несколько раз меньше.

Ещё одна функция, о которой забывают, — источник воды. При окислении 1 г жира образуется около 1,1 г воды. Для верблюда, суслика в спячке и зимующего насекомого это не мелочь, а способ обойтись без питья.

Остальные функции стоит держать списком с примерами:

— структурная: фосфолипиды строят все мембраны клетки; — теплоизоляция и защита: подкожный жир кита и тюленя, жировая капсула почки; — регуляторная: стероидные гормоны — половые (тестостерон, эстрогены) и гормоны надпочечников — это липиды, а не белки. Холестерин входит в мембраны животных клеток и служит сырьём для этих гормонов; — водоотталкивающая: воски образуют налёт на листьях и плодах, смазку перьев водоплавающих птиц; — витамины A, D, E, K жирорастворимы, поэтому морковь полезнее есть со сметаной, а не всухую.

«Жир даёт больше энергии» — это следствие, а не объяснение. Объяснение вот в чём: энергия получается при окислении углерода до CO₂, и чем менее окислен углерод в исходной молекуле, тем длиннее путь и тем больше энергии он даст. В углеводах почти у каждого атома углерода уже висит кислород (вспомните формулу C₆H₁₂O₆ — кислорода столько же, сколько углерода). В жирной кислоте углеродная цепь — это почти чистые −CH₂− звенья, кислорода в них почти нет. Окислять есть что. Отсюда и числа: около 38,9 кДж на грамм жира против 17,6 кДж на грамм углевода или белка, больше чем вдвое.

Вторая причина запасать именно жир — вода. Гликоген в клетке гидратирован, он удерживает вокруг себя воду и потому занимает много места и много весит. Жир гидрофобен и запасается без воды, каплей. Если бы человек хранил свой запас энергии в форме гликогена, он весил бы заметно больше при том же запасе.

А теперь верблюд. Распространённое школьное объяснение — «в горбу запасена вода» — неверно: в горбу жир. Но связь с водой всё-таки есть, и она красивее. При окислении любой органики образуется метаболическая вода: углерод уходит в CO₂, а водород соединяется с кислородом. Поскольку в жире водорода особенно много, воды из него получается больше, чем из любого другого вещества, — больше килограмма на килограмм жира. Так что верблюд в горбу хранит не воду, а вещество, из которого вода получится, вместе с энергией. Тот же механизм спасает зимующих сурков и медведей: они не пьют месяцами.

И ещё три функции липидов, которые спрашивают. Структурная: фосфолипиды — основа всех мембран, и об этом будет отдельный разговор. Теплоизоляционная: подкожный жир у кита и тюленя достигает десятков сантиметров, а теплопроводность жира низкая. Регуляторная: к липидам относятся стероидные гормоны — половые, гормоны коры надпочечников, — а также холестерин, из которого они делаются и который встроен в мембраны животных клеток. Поэтому ответ «липиды — это запас энергии» на задание про функции липидов неполон уже наполовину.