Lenindzher Основы биохимии т.1 (1128695), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Точно так же нуклеиновые кислоты у всех видов построены из одного и того же набора нуклеотидов. Теперь мы увидим, что по химическому составу живая материя очень сильно отличается от неживой материи земной коры. Поэтому, прежде чем приступить к изучению бномолекул и их взаимодействий, следует задать несколько важных вопросов. Какие химические элементы и в каких соотношениях обнаруживаются в клетках? Как они туда попали? Каким образом обнаруживаемые в живых клетках молекулы оказались приспособленными для выполнения своих функций? Чтобы попытаться ответить на эти вопросы, мы должны рассмотреть биамолекулы с тех же позиций, что и небнологические молекулы, используя принципы н подходы, принятые в классической химии.
Одновременно следует также охарактеризовать биомолекулы с биологической точки зрения в свете представлений о том, что различные типы молекул в живой материи связывакггся друг с другом и взаимодействуют, подчиняясь законам, которые мы называем в совокупности молекулярной логикой живого. ЗЛ. Хиьшческий состав живой материи отличается от химического состава земной коры Для различных форм живого необходимы лишь 27 из 92 природных химических элементов, присутствующих в земной коре.
Они перечислены в табл. ЗЧ. Большинство встречающихся в живой материи элементов имеют сравнительно небольшие порялковые номера, и лишь у трех из них порядковые номера превышают 34. Более того, соотношение этих химических элементов в живых организмах совсем иное, чем в земной коре (табл. 3-21 В живых организмах в наибольших количествах встречаются четыре элемента водород, кислород, углерод и азот; в большинстве клеток на их долю приходитск более 99;; общей массы.
Относительное содержание трех из этих элементов-водорода, азота и углерода — в живом веществе гораздо выше, чем в земной коре. Различия в элементарном составе земной коры и живой материи стануг еще более явными, если при сравнении учитывать только вес сухого вещества живых организмов, исключив из рассмотрения воду, на долю которой приходится более 75",,' их общего веса. В живых клетках углерод составляет 50-60;.„' сухого вещества, азот 8-10;, кислород — 25-ЗО', и водород — 3-4' . В земной же коре на долю углерода, во- Живые организмы, например зта медуза Соезоиылиз ныгЬасйзз, по химическому составу отличаются от окружающей их среды (в данном случае -морской воды). ГЛ.
3 СОСТАВ ЖИВОЙ МАТЕРИИ БИОМОЛЕКУЛЫ Таблица 3-!. Бноэлементы Установлено, чэо лля существования живой материи необхолнмы перечисленные ниже элементы; олнако не есе указанные здесь микроэлементы обязательно требуются каждому нилу организмов. Основные элел~ентье входящие в состав органического вещества Углерод С Азот Х Водород Н Фосфор Р Кислород О Сера Б Элементы, встречающиеся в виде ионов Натрий Ха ' Кальций Са + Калий К ' Хлор О ' Магний Мй' " Микроэлементы Железо Ее Никель Х! Медь Си Хром Сг Цинк Ул Фтор Г Марганец Мл Селен Бе Кобальт Со Кремний 81 Йод ! Олово Бп Молибден Мо Бор В Ванадий У Мышьяк Ак Таблица 3-2.
Восемь элементов, содержащих- ся н нанболылнх количествах в земной коре н организме человека ('ь от общего числа атомов) Земквк кора Организм человека Эввмып Элемент 47 Н 63 28 О 25,5 7,9 С Я.5 4,5 Х (,4 3,5 Са 0,3! 2,5 Р 0,22 2,5 Л 0,08 2,2 К 0,06 О бй А! Ге Сн Ха К М8 порода н азота, вместе взятых, приходитси менее !"; ее общей массы. Вместе с тем восемь из десяти элементов, содержащихся в организме человека в наибольших количествах, входят в числа десяти элементов, которые в наибольших количествах присутствуют также и в морской воде.
Исходя из этих данных, можно сделать два рабочих допущения. Согласно первому из них, химические соединения, содержащие углерол, водород, кислород и азот (наиболее распространенные в живой природе элементы) бьши отобраны в ходе зволгоции благодаря их особой приспособленности для участия в процессах жизнелеягельности. Второе допущение состоит в том, что марская вола была именно той жилкой средой, в которой живые ар!и!измы впервые появились на ранних этапах развития Земли. 3.2. Большинство биомолекул содержит углерод Химические свойства живых 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 электронов, ориналлежащими обоим соединяющимся атомам (рис. 3-!). Для заполнения внешней электронной оболочки атому водорода не хватает одного электрона, атому кислорода — лнух, атому азота-трех н атому углерода- четырех электронов. Таким образом, при взаимодействии атома углерода с четырьмя атомами водорода «обобществляются» четыре электронные пары, в результате чего возникает соединение метан (СНл), в котором каждая общая электронная пара соответствует одной одинарной связи.
Углерод мажет образовывать одинарные связи также и с атомами кислорода и азота. Однахо наиболее важное значение в биологии имеет способность а~омов углерода «делиться» электронными парами друг с другом, чта приводит к формированию очень устойчивых одинарных углерод-углеродных связей. Каждый атом углерода может образовать одинарную связь с алиям, двумя, тремя или четырьмя другими атомами углерода. Кроме того, два углеродных атома, соединяясь друг с другом, могут ЧАОТЪ 1.
БИОМОЛЕКУЛЫ Число электронов в заполненной Внешней оболочке Число неспаренных электронов (наказаны красным цютом) Атом н. гО. Лмыпак Рис. ЗЛ. Образаваниековалентныхсвязей. Ме- хшу лаумя атомами. имеюшими на внешних оболочках неспареиные злектраны, могут абра- зоваться ковелентные связи вутем еабабшест- алению злектроиных пар (молекулярных орби- талей). Атомы, участвуюшие в формнроаании Ковалензных связей, стремяшя к заполнению своик внешних злектранных аболанш. «обобществить» две пары электронов; при этом образуется днойнал углеродуглеродная связь (рис.
3-2). Благодаря описанным свойствам ковадентно связанные атомы углерода способны образовывать мнохгество разнообразных -С+ Н ! .С-+.О: — «.С;О; С -О ! ° С*+ ')ч)т — е Сг)ь(у — С )л) ! ! .С'+ С вЂ” » С:С вЂ” С С— ! ! С'+ .С. —:С:С: С С ,г Рнс. 3-2 Спссабаосз ь атомов углерода уча- ш вава гь в образовании различных олинариых и двойных ковгшешных связна Тройные связи в аргааичесхих биомолекулах встречаются край- не редка. Н'+ Н вЂ” ь НН = Н вЂ” Н Молекулярный нодорад гН. + О*з — НЮз = Н вЂ” Π— Н й Вола Н Н П~' + ЗН вЂ” ь чч„ГН = )л) Н* Н ! Н "С.
+ 4Н" — ь Н уз;йн = Н вЂ” С вЂ” Н Н Н Метан структур; линейные и разветвленные цепи, циклические и сетчатые структуры, а также их комбинации. Все эти структуры лежат в основе скелетов многочисленных органических молекул самых разных типов (рис. 3-3). К таким угле- родным скелетам могут присоединяться другиеатомныегруппы,что обусловлено способностью углерода образовывать ковалентные связи с кислородом, водородом„ азотом и серой. Вещества, имеющие скелеты из ковалентно связанных углеродных атомов, называются орланнческиыи соединениями, причем их разнообразие практически безгранично.
Поскольку большинство биомолекул относится к органическим соединениям, мозкно предположить, что способность углерода участвовать в формировании разнообразных химических связей сыграла решающую роль в выборе именно углеродсодержашнх соединений для создания молекулярных механизмов клеток в процессе возникновения и эволюции живых организмов. Четыре ковалентные одинарные связи, образуемые атомом углерода, располагаются в пространстве в виде тетоазпоа, ГЛ.
3. СОСТАВ ЖИВОЙ МАТЕРИИ: БИОМОЛЕКУЛЫ Циклический Линейный Разветвленный Вид Фоку Вид сверху н н С н н н н'!~н и ~~н н 0 Рис. 3.3. углерод-углералные связи пбрвзугст каркас молекул многих органических веществ. причем угол между любыми двумя из этих связей составляет около ! 09,5' !рис, 3-4). В молекулах различных органических соединений этот угол у разных атомов углерода несколько изменяется. Благодаря такому свойству углеродсодержащие соединения образуют разно- Рис.
3-4. ж Четыре олинврные связи, обрязуемые атомам углерода, рвсполпжены в просгрвнстве в виде хврвктернаго тетрвзлрв; дланя смгзей составляет приблщительна 0,154 нм, я угол между ними 109,5'. Б. Вокруг одинврньн углерпл-углеродных связей возможна полная свабода врещсния: зто гп"гетливп видна нв примере молекулы зтвнв 1Н С СН„1, структуру которого можно изобразить разными скемвми. В. Двойные углерод-ут породные связи короче. чем одинврные, и свободное врвщьние вокруг них невозможно.
Угол макду одинврн ими смгзями, обрвзуемыми каждым нз втомов углероде, соединенных мыкду собой двойной связьиь саставлясг 120'. Обв втамв углероде, образующие лвойную связь, и атомы, обозняченные А, В, Х и У, лежат в олнои плоскости. .С~ ! ! ! ! ! С! ССССС !. ! ! ! ! ! образные трехмерные структуры. Никакой другой химический элемент не может образовывать молекулы, столь различные по размерам и форме. а также по строению боковых цепей и функциональных групп. Необычайная сложность внутриклеточных структур в значитель- ЧАСТЬ 1. БИОМОЛЕКУЛЫ Тиблица З-З. Радиусы некоторых атомов Приведенные ленные относятся к вандерваальсовым р~тиусам, характеризующим истинные размеры атомов в постранстве; однако, когда атомы соединяются между собой ковалентными связями, их радиусы в точке взаимодействия с лругимн атомами уменылаются из-за притяжения атомов лруг к лругу за свез образования обобщенной пары (молекулярной орбитали) Радиус, вы Прастракствеаиая модель Элемент 0,1ьм углерод 0,077 0,037 Водород Кислород 0,0бб 0,070 О.!1О Фосфор Сера 0,104 Некоторые ковахеатиые связи ной мере отражает разнообразие размеров и форм органических молекул.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
