Биологический каталог




Биологическая химия

Автор Д.Г.Кнорре, С.Д.Мызина

емой молекуле. Пространственная структура биополимера обеспечивает взаимное расположение этих функциональных групп, оптимальное для такого взаимодействия.

Как формирование биополимерами уникальной пространственной структуры, так и способность их к высокоспецифичному образованию комплексов с определенными биополимерами или молекулами низкомолекулярных соединений (ли-гандами) обусловлены нековалентными взаимодействиями — ван-дер-ваальсовы-ми, электростатическими, образованием водородных связей. Важная, во многом определяющая роль относительно слабых нековалентных взаимодействий в сис-

9

темах изучаемых биохимией, намного превосходящая их роль в формировании низкомолекулярных соединений и в протекании их превращений в растворах и в твердых телах, - отличительная черта организаций и функционирования живой материи.

Большое число биологических событий начинается со взаимодействия определенного белка со специфичным к нему лигандом, которое служит сигналом для некоторого последующего действия. Само действие связано с изменением в воспринимающем сигнал биополимере, которое чаще всего представляет собой изменение пространственной структуры белка, т.е. его конформации. Поэтому важную роль в функционировании живых систем играет способность биополимеров к направленному изменению конформации (направленным конформационным переходам).

Биохимия является в основном экспериментальной наукой. Она опирается на арсенал методов, созданных неорганической, органической, аналитической и физической химией. Однако многие из задач, с которыми сталкиваются биохимики, вследствие специфики изучаемых объектов требуют нетрадиционных подходов. В первую очередь это касается изучения биополимеров. Например, химический синтез белков представляет собой повторение десятки или даже сотни раз реакции образования пептидной связи с целью последовательного присоединения на каждой стадии к растущей полимерной цепи определенного аминокислотного остатка. Образование пептидных связей прекрасно отработано и с точки зрения классической органической химии не представляет ни трудности, ни интереса. Но необходимость проводить последовательно множество таких превращений без существенного уменьшения выхода, без повреждения уже созданной на предыдущих этапах синтеза полипептидной цепи ставит свои специфические проблемы, которые решаются оригинальными, разработанными именно для таких задач приемами. Венцом этих приемов является автоматический твердофазный синтез полипептидов. Столь же не традиционно выглядит задача установления химического строения биополимеров. Структуры отдельных мономерных звеньев как белков, так и нуклеиновых кислот давно установлены с использованием классических методов органической химии, и задача сводится к тому, чтобы для каждого конкретного биополимера определить, в каком порядке в изучаемой полимерной цепи располагаются разнотипные мономерные звенья.

Биохимия не только использует в своих целях методы, созданные в рамках других химических дисциплин, но и вооружает химию новыми методами, основанными на применении биополимеров как инструмента химического исследования. Ферменты часто позволяют с уникальной, недоступной обычным химическим приемам избирательностью провести анализ сложных реакционных смесей, осуществить химические превращения в мягких условиях, избегая побочных реакций и побочных продуктов, ^ольшое значение для решения тонких аналитических задач приобрели иммунохимические методы, использующие в качестве инструмента анализа антитела — белки, вырабатываемые высшими живыми организмами в ответ на введение чужеродных веществ. Антитела обладают способностью избирательно взаимодействовать именно с этими, вызвавшими иммунный ответ веществами и могут поэтому использоваться для их определения в сложных смесях.

Главной чертой химических превращений в живых организмах является участие в них специальных биологических катализаторов — ферментов. Для фермен-

тов характерна исключительно высокая избирательность по отношению к веществам, превращения которых они катализируют, — субстратам. Второй их отличительной чертой является способность эффективно катализировать химические превращения в мягких условиях — водных растворах, чаще всего с рН, близким к нейтральному, и при 20—40°С и даже ниже.

До недавнего времени считалось, что обязательным компонентом всех ферментов являются белки. Был накоплен огромный материал, свидетельствующий, что именно белки способны опознавать определенные субстраты, обеспечивая тем самым высокую специфичность биологического катализа. Кроме того, многочисленные данные демонстрировали, что белки обеспечивают оптимальную ориентацию субстратов относительно функциональных групп фермента, осуществляющих химическое превращение. Этими группами в случае кислотного, основного и нуклеофильного катализа чаще всего являются группы, входящие в состав белка. В случае электрофильного и окислительно-восстановительного катализа в химическом превращении, как правило, участвуют специальные кофакторы — ионы металла или сложные органические молекулы. Но в этом случае белковая часть фермента организует работу кофактора так, чтобы обеспечивалась свойственная ферменту специфичность и одновременно с высокой эффективностью реализовался каталитический потенциал кофактора. Однако в начале 80-х годов были открыты и стали объектом интенсивных исследований ферменты, построенные из молекул рибонуклеиновых кислот (рибозимы). Интерес к этой группе ферментов резко усилился в связи с разработкой методов молекулярной селекции нуклеиновых кислот, позволившей, в частности, начать направленное конструирование рибозимов с разнообразными типами каталитической активности.

Химические превращения, изучаемые биохимией, — это в подавляющем большинстве случаев процессы, катализируемые ферментами. Применительно к реакциям, протекающим с участием ферментов, и системам таких реакций, приводящим в итоге к определенному химическому результату, часто применяют термин биохимическое превращение.

Химические реакции, протекающие в живой природе, и субстраты этих реакций чрезвычайно разнообразны. Вместе с тем имеется отчетливая тенденция использовать для однотипных реакций одни и те же сложные органические молекулы. Например, во многих десятках различных реакций окисления спиртов и карбонильных соединений в качестве окислителя используется одно и то же соединение — никотинамидадениндинуклеотид (НАД). Такие используемые в большой группе биохимических превращений вещества называют ко ?ерментами. Чаще всего они выполняют роль универсальных переносчиков отдельных атомов или групп. НАД, например, является универсальным переносчиком атомов водорода, кофермент А — универсальный переносчик ацильных групп, тетрагидрофо-лат — одноуглеродных фрагментов и т.д.

Наиболее высокоорганизованными являются ферменты, с помощью которых осуществляется синтез новых молекул биополимеров, белков и нуклеиновых кислот. Эти ферменты обладают способностью не только катализировать образование пептидных или межнуклеотидных связей, но и воспринимать информацию, поступающую в виде специальных информационных молекул — нуклеиновых кислот. На каждом этапе роста цепи нуклеиновые кислоты программируют, какой из мономеров должен быть отобран ферментом и присоединен к растущей синтезируемой цепи. Такие информационные молекулы называют матрицами, а фер-

11

менты, катализирующие синтез биополимеров по программам, задаваемым матрицами, — ферментами матричного биосинтеза.

Конечной целью химических процессов, протекающих в живой природе, чаще всего является либо синтез сложных органических молекул из простых, доступных живому организму предшественников, либо деградация таких молекул до простых соединений, выводимых из организма. Важную роль химические превращения играют в обеспечении жизнедеятельности организма энергией, необходимой для совершения различных видов работы. В этом случае с целью уменьшения бесполезного рассеяния энергии в теплоту желательно разумное приближение к обратимому протеканию превращения. Каждая такая задача решается системой последовательных реакций, оптимизированной по химическому содержанию и энергетике каждого этапа и осуществляемой каскадом ферментов. Как правило, такие системы подвержены различным регуляторным воздействиям, т.е. в зависимости от конкретной биологической ситуации они могут включаться и выключаться или, по крайней мере, скорость и масштаб их функционирования могут изменяться в весьма широких пределах. Организация химических превращений веществ в виде регулируемых систем каталитических реакций — важнейшая особенность химии живых организмов.

Эффективное функционирование таких систем в ряде случаев достигается специальной пространственной организацией составляющих элементов. Так, группа ферментов, катализирующих цепочку последовательных превращений, может быть организована в единый комплекс, что облегчает поступление продукта одной реакции к ферменту, использующему этот продукт в качестве субстрата для дальнейшего превращения. Особенно существенна специальная пространственная организация биохимических систем, участвующих в восприятии и преобразовании сигналов и в процессах, связанных со взаимопревращениями различных форм энергии.

Именно эти главные особенности биохимических объектов и биохимических превращений положены в основу построения предлагаемого читателю курса биохимии.

ГЛАВА 1

УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ

1.1. МОЛЕКУЛЯРНЫЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ ЖИВОЙ МАТЕРИИ

Живые организмы состоят из огромного числа различных химических компонентов — органических и неорганических, низкомолекулярных и полимерных. Прежде всего среди неорганических компонентов должна быть названа вода, так как все известные жизненные процессы протекают в водных растворах. Для поддержания ионной силы и рН среды, при которых протекают процессы жизнеде-ятельгости, необходимы определенные концентрации неорганических ионов. Многочисленные органические соединения, например, этиловый спирт, ацетальдегид, уксусная кислота, являются продуктами и * субстратами биохимических прев

страница 3
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109

Скачать книгу "Биологическая химия" (8.81Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(24.07.2017)