Просто о ферментах. Почему они так полезны?: читать начало книги онлайн

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.

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.

[1] Брутто-формула (или молекулярная формула) – химическая формула, показывающая, какие атомы и в каком количестве входят в состав молекулы.

[2] Карбонильная группа – функциональная группа С=O органических соединений.