Аминокислоты

Биологическая химия – наука о химии жизни, о химических явлениях живой природы. Биологическая химия изучает химический состав живых организмов, химические процессы, обеспечивающие их существование.

Жизнь – это форма движения материи, качественно более высокая, чем физическая и химические формы. Она реализуется в индивидуальных биологических организмах. Все живые организмы содержат органические макромолекулы, построенные по общему принципу. Например, бактериальная клетка – кишечная палочка (E.coli) – содержит 5000 различных органических соединений, в том числе 3000 различных белков. Вместе с тем, для всех живых систем известны общие черты. Например, нуклеиновые кислоты состоят из 4-х нуклеотидов, белки – из 20 различных аминокислот, хотя нет полностью тождественных двух организмов по составу белков и нуклеиновых кислот. Общим является также использование энергии через аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ). Во всех живых организмах химические процессы происходят при определенной температуре (например, 37⁰C), рН и осмотическом давлении в водной среде. Катализаторами биохимических реакций являются ферменты. Все молекулы, клеточные структуры тканей организма в высокой степени упорядочены, взаимозависимы. Каждый организм является саморегулирующейся системой, для которой характерен обмен веществ, рост, размножение. В организме постоянно происходит расход энергии, образующейся за счет веществ, поступающих из внешней среды. Нормальная жизнедеятельность возможна лишь при определенном химическом составе клеток и тканей. Это обеспечивается в результате синтеза необходимых веществ. Субстратом для синтеза являются питательные вещества – белки, углеводы, липиды, витамины, соли, вода, кислород, которые поступают в организм из окружающей среды. В живых клетках расщепление веществ – (диссимиляция) – постоянно сочетается с их синтезом (ассимиляция). Распад и синтез – это две стороны единого процесса жизнедеятельности.

Живая материя представляет собой сложную биологическую систему, где ведущую роль играют белки и нуклеиновые кислоты. В природе нет живых существ без белков и нуклеиновых кислот. Белки занимают центральное место во всех химических процессах, обуславливающих обмен веществ организма. Нуклеиновые кислоты являются хранителем наследственной информации. Углеводы, липиды, неорганические соли и вода играют важную роль, но занимают подчиненное положение. Важной особенностью обмена в животной клетке является единство и взаимосвязь происходящих в ней многочисленных реакций.

В зависимости от объекта изучения различают биохимию человека, животных, растений, микробов, вирусов. По направлению изучения биохимию делят на статическую, где изучается химический состав, свойства исследуемого объекта; динамическую, изучающую превращение веществ с момента поступления в организм и заканчивая выделением конечных продуктов обмена и функциональную, где изучаются химические основы физиологической деятельности организма в целом, органа, ткани, клетки. Общая биохимия рассматривает общие для всех живых систем закономерности, частная биохимия рассматривает биохимические особенности отдельных систем, органов, тканей и клеток.

Живой организм характеризуется высокой степенью упорядоченности составляющих его ингредиентов и уникальной структурной организацией, обеспечивающей многообразие биологических функций. В этом структурно-функциональном единстве организмов, составляющем сущность жизни, белки играют важнейшую роль.

Белки – высокомолекулярные азотсодержащие органические вещества, молекулы которых построены из остатков аминокислот. Название протеины (от греч. protos – первый, важнейший) – точно отражает первостепенное биологическое значение белков. В отечественной литературе слово «белки» принято называть по аналогии с белком куриного яйца, приобретающем при кипячении (денатурации) белый цвет.

Сейчас, когда достоверно установлено, что наследственная информация у любых живых организмов сосредоточена в молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), не вызывает сомнения то, что только белки являются теми молекулярными инструментами, при помощи которых реализуется эта генетическая информация. Без белков, в частности ферментов, ДНК не может реплицироваться, не может самовоспроизводить себя – свойства, необходимые для наследственной передачи генетической информации.

Основные проявления жизни: пищеварение, раздражимость, сократимость, способность к росту и размножению, движение, обмен веществ – все связаны с веществами белковой природы. Белки являются основой структуры и функции живых организмов, они выполняют чрезвычайно многообразные функции; считают, что в природе существует 10¹⁰ - 10¹² различных белков, обеспечивающих существование 1,2 • 10⁶ видов живых организмов различной сложности организации. В клетке E.coli содержится около 3000 различных белков, а в организме животных их насчитывается около 100000. Из этого огромного количества разнообразных белков сейчас известно строение более 3000. Самое удивительное заключается в том, что такое большое разнообразие белковых молекул построено из сравнительно простых блоков (кирпичиков) – аминокислот. В состав природных белков входит всего около 20 видов аминокислот.

Белки в организме выполняют следующие основные функции:

1. Каталитическая функция белков. Все пор открытые биологические катализаторы – ферменты являются белками, известных ферментов сейчас свыше 3000. Эта функция белков является уникальной, не свойственной другим полимерным молекулам. Правда, в последнее время стало известно, что рибонуклеиновые кислоты также могут обладать ферментативной активностью. Их называют рибозимами.

2. Питательная (резервная) функция белков. К таким белкам относятся так называемые резервные белки, являющиеся источником питания для развития плода; белки яйца (овальбумины) и основной белок молока (казеин), также выполняют главным образом питательную функцию. Ряд белков используется в качестве источника аминокислот, которые в свою очередь являются предшественниками биологически активных веществ.

3. Транспортная функция белков. Дыхательная функция крови, в частности, перенос O₂, целиком осуществляется молекулами гемоглобина – белка эритроцитов. В транспорте липидов принимают участие альбумины сыворотки крови. Белки сыворотки образуют комплексы с жирами, медью, железом, тироксином, витамином А и другими соединениями, обеспечивая их доставку в соответствующие органы.

4. Защитная функция белков. Основную функцию защиты в организме выполняет иммунологическая система, которая обеспечивает синтез специфических защитных белков – антител в ответ на поступление в организм бактерий, токсинов или вирусов. Взаимодействие антител с антигенами (чужеродными белками) способствует нейтрализации их биологического действия, что обеспечивает безопасность организма от генетически чужеродной информации. Способ свертывания крови это тоже защитная реакция: свертывание белка плазмы крови фибриногена приводит к образованию сгустка крови, что предохраняет от потери крови при ранениях. Интерферон – универсальный противовирусный белок также выполняет защитную функцию.

5. Сократительная функция белков. В сокращении и расслаблении мышц участвуют белки актин и миозин – специфические белки мышечной ткани. Сократительная функция присуща не только мышечным белкам, но и белкам ряда субклеточных структур, что обеспечивает определенные процессы жизнедеятельности клеток.

6. Структурная функция белков. Структурная функция белков занимает очень большое место. Например: коллаген в соединительной ткани, кератин в волосах, ногтях, роговой ткани, эластин в сосудистой стенке выполняют пластические и опорные функции. Важную роль играют белки в комплексе с углеводами в формировании ряда секретов – мукоидов, муцинов и т.д. В комплексе с липидами (фосфолипидами) белки участвуют в образовании биомембран клетки.

7. Гормональная функция белков. В регуляции обмена веществ в организме важную роль играют гормоны, которые вырабатываются в железах внутренней секреции. Ряд гормонов являются белками или полипептидами: гормоны гипофиза – соматотропин, окситоцин, вазопрессин; гормон поджелудочной железы – инсулин и т.д.

Кроме указанных функций, следует отметить, что белки в организме играют важную роль в поддержании онкотического давления и в создании буферных систем. Белки осуществляют генерирование и передачу нервных импульсов. Например, родопсин является фоторецепторным белком клеток палочек сетчатки глаза, имеются белки – вкусовые рецепторы, обонятельные рецепторы. Молекулы рецепторы приводятся в действие специфическими веществами. Например, рецептор ацетилхолина - белок, состоящий из 5 единиц, образует ионный канал.

Регуляция роста и дифференцировки клеток осуществляется также специальными белками. Имеются белки-репрессоры, интерлейкины, белки (пептиды), регулирующие дифференцировку клетки. Обобщая, следует подчеркнуть, что белки в организме выполняют разнообразные функции, обеспечивающие жизненные процессы. Важно то, что белки обладают высокой специфичностью; например, фермент строго взаимодействует со своим субстратом, антитела с антигеном. Высокой специфичностью наделены также белки, обеспечивающие такие процессы как рост, деление и дифференцировка клеток, онтогенетическое развитие живых организмов, биологическая индивидуальность.