Малые молекулы, их особенности и биологическое значение

Малые молекулы - это биомолекулы с относительно небольшой молекулярной массой от 100 до 1000, которые содержат до 30 атомов углерода. На долю малых молекул приходится около 3% от общей массы клетки.

Особенности малых молекул. Они располагаются в свободном состоянии в цитоплазме клетки, благодаря чему могут быстро перемещаться благодаря диффузии (в среднем на расстояние в 10 мкм 0,2 с). Достаточно часто выступают как мономеры: мономерами полисахаридов являются моносахариды, белков - аминокислоты, нуклеиновых кислот - нуклеотиды. Мономеры - простые молекулы, которые являются звеньями в цепях биополимерных макромолекул. им присуща способность к полимеризации, поэтому в их составе есть группы, которые реагируют с определенными группами других мономеров с образованием ковалентных связей. Сочетание малых молекул происходит путем удаления молекулы воды во время реакций конденсации, а распад - в результате ограниченного количества химических преобразований в тех продуктов, из которых синтезировались. В молекулах неоднократно повторяются определенные простые комбинации атомов - функциональные группы - химические и физические свойства которых и определяют поведение любых молекул ОН - гидроксильная группа, NH2 - аминогруппа, СООН - карбоксильная группа и др.

Биологическое значение. Функции малых молекул в живых организмах не отличаются разнообразием, но очень важны для них. Это: 1) строительная - участие в образовании других, более сложных молекул; 2) энергетическая - участие в биохимических реакциях энергетического обмена; 3) регуляторная - участие в регуляции процессов и функций.

Разнообразие малых молекул

К сновным семей малых молекул относят жирные кислоты, простые сахара, аминокислоты и нуклеотиды.

Моносахариды ( простые сахара ) - это группа углеводов, молекулы которых в своем составе имеют от трех до десяти атомов углерода. Общая формула моносахаридов - СnН2nОn. Содержание в клетке около 1% от общей массы клетки. Могут иметь при одинаковом химического состава разный порядок связей между атомами или группами атомов, обусловливает существование структурных изомеров с различными химическими свойствами (например, глюкоза и фруктоза формуле С6Н12O6). По физическим свойствам это белые кристаллические вещества, сладкие на вкус (сладкой является фруктоза - в 5 раз слаще глюкозы), хорошо растворимые в воде, спиртах и нерастворимые в полярных растворителях. За счет наличия нескольких гидроксильных групп способны к полимеризации, образуют большое количество олиго- и полисахаридов, в которых сочетаются с помощью гликозидных Связи. Синтезируются с СО2 и воды в процессе фотосинтеза у растений и в процессе глюконеогенеза у животных. Распад осуществляется путем окисления с образованием СО2 и Н2О с выделением большого количества энергии (например, окисления одной молекулы глюкозы сопровождается образованием 38 молекул АТФ). В моносахаридов наблюдается зависимость свойств от химического состава, пространственного расположения групп, способности поворачивать плоскость поляризованного света, наличия и количества функциональных групп и др. Моносахариды могут существовать в двух формах - линейной, когда углеводный цепь открытый, и циклический, когда он замкнут.

В биохимии углеводов уже описано более 50 различных природных моносахаридов. Самой распространенной является их классификация в зависимости от количества атомов углерода в молекуле, согласно которому названия групп моносахаридов образуют от греческого названия числительного, что соответствует этому количеству с добавлением окончания -оза (триозы, тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы, октозы, нанозы, декозы) . Важнейшее значение в живой природе имеют пентозы и гексозы. Пентозы - это группа моносахаридов, молекулы которых содержат пять атомов углерода. С пентоз известны рибоза и дезоксирибоза, входящих в состав соответственно рибонуклеиновой (РНК) и дезоксирибонуклеиновой (ДНК) кислот. Гексозы - это группа моносахаридов, молекулы которых содержат шесть атомов углерода. В природе наиболее распространены глюкоза и фруктоза, от содержания которых зависит сладкий вкус ягод, меда.

Распространены в организмах как в свободном состоянии, так и в составе олигосахаридов, полисахаридов и др. Играют важную роль в обмене веществ, участвующих в процессах клеточного дыхания, брожения и синтеза сложных углеводов. Основными функциями являются энергетическая (при расщеплении 1 г высвобождается 17,6 кДж энергии) и структуры

Линейный и циклический способы изображения глюкозы

Линейный и циклический способы изображения глюкозы

турная (есть мономерами сложных углеводов). Важное значение для жизнедеятельности организмов имеют и такие производные моносахаридов, как сахарные спирты (например, маннитол в бурых водорослей как запасающая соединение), сахарные кислоты (аскорбиновая кислота, уроновые кислоты), гликозиды (сердечные гликозиды ландыша).

Жирные кислоты - это группа малых органических молекул, которые по химической природе одноосновными карбоновыми кислотами. Общей формулой жирных кислот является СН3 - (CH2) n - СООН. В молекуле есть два разных части: длинный гидрофобный карбоновый цепь и гидрофильная карбоксильная группа. Содержание их в клетке - около 1% от общей массы клетки. Жирные кислоты отличаются между собой температурой плавления и растворимости в воде и органических растворителях. Увеличение количества атомов углерода в молекулах сопровождается снижением растворимости в воде и повышением температуры плавления.

В воде их молекулы могут образовывать поверхностную пленку или небольшие мицеллы ( частицы в коллоидных системах, состоящих из гидрофобного ядра и гидрофильной оболочки ). Сочетаются жирные кислоты со спиртами с образованием липидов с помощью сложноэфирных связей. Их распад осуществляется путем окисления с образованием ацетил-КоА, СО2 и Н2О с выделением большого количества энергии (например, окисления одной молекулы пальмитиновой кислоты сопровождается образованием 130 молекул АТФ). В жирных кислот наблюдается зависимость свойств от химического состава, наличия двойных связей и др.

По количеству атомов углерода жирные кислоты делят на низшие (до 3 атомов углерода), средние (4-9 атомов углерода) и высшие (9-24 атомы углерода). По особенностям связей различают насыщенные [НЕ имеют двойных связей) и ненасыщенные (могут иметь один, два или более двойных связи). Наиболее распространенными жирными кислотами являются такие насыщенные жирные кислоты, как масляная, пальмитиновая, стеариновая, арахиновая, и такие ненасыщенные жирные кислоты, как олеиновая, линолевая, линоленовая, арахидоновая.

Жирные кислоты распространены в организмах как в свободном состоянии, так и в составе простых и сложных липидов. Но важнейшее проявление структурной функции жирных кислот - участие в построении фосфолипидов клеточных мембран. Жирные кислоты являются ценным источником энергии, поскольку их распад сопровождается выделением вдвое большего количества энергии, чем при распаде такого же массы глюкозы. Ненасыщенные жирные кислоты ( линолевая, линоленовая, арахидоновая ), которые условно объединены в группу под названием "витамин F", участвуют в процессах роста и развития организма, усиливают защитные реакции и тому подобное. Недостаток этого витамина в организме животных приводит к прекращению роста, вызывает дерматиты и заболевания внутренних органов. Итак, для жирных кислот характерна и структурная, и энергетическая, и регуляторная функции.

Аминокислоты - это малые органические молекулы, в состав которых входят аминогруппа и карбоксильная группа. Содержание их в клетке - 0,4% от общей массы клетки. Общая формула их включает карбоксильную группу СООН, аминогруппу NH2 и радикальную группу, которая в разных аминокислот разная и отличает их друг от друга. По физическим властивос-

Пальмитиновая кислота (C15H31COOH)

Пальмитиновая кислота (C15H31COOH)

себя аминокислоты - это бесцветные кристаллические вещества, большинство которых растворимый в воде. Они могут иметь сладковатый, горьковатый вкус, специфический запах, но большинство - вообще без вкуса и запаха. Все термически малоустойчивы. Аминокислоты способны к полимеризации, образуя пептиды и белки. В большинстве аминокислот есть одна СООН (обуславливает кислотные свойства) и одна NH2 (обуславливает основные свойства), которые вместе определяют амфотерные свойства аминокислот. За счет способности аминогруппы и карбоксильной 'группы к ионизации возникают ионные связи, при взаимодействии сульфгидрильных групп (-SH) радикалов серосодержащих аминокислот образуются дисульфид ни связи, при взаимодействии водорода с 0 или N в составе групп - ОН или -NH формируются водородные связи, и при взаимодействии NH2 одной аминокислоты с СООН другой с выделением воды образуются пептидные связи . при повышении pH выступают в роли доноров Н + -йонив, а при понижении - в роли акцепторов этих ионов, что указывает на их способность действовать в растворах как буфера. В аминокислот наблюдается зависимость свойств от химического состава, состава радикалов, количества функциональных групп, pH от действия поляризованного света и др.

Всего из природных источников выделено более 200 аминокислот. их классифицируют по строению радикала, количеством функциональных групп и др. По биологическим особенностям аминокислоты делятся на заменимые (например, аланин, аспарагин) и незаменимые (лейцин, валин). Первые синтезируются в организме человека и животных, а другие не синтезируются и попадают в них только с пищевыми продуктами. Для нормальной жизнедеятельности организм нуждается в полном набора из 20 основных L-аминокислот и определенных дополнительных аминокислот, которые являются производными от основных.

Названия основных аминокислот и их сокращенные обозначения

Название аминокислоты

сокращенное название

Переменные (с) и постоянные (н)

аланин

ала

(С)

аргинин

Apr

(С) - для детей (н)

аспарагин

АСН

(С)

аспарагиновая кислота

Асп

(С)

валин

Вал

(Н)

гистидин

ГИС

(С) - для детей (н)

глицин

игле

(С)

глутамин

ГЛН

(С)

глутаминовая кислота

иглу

(С)

изолейцин

Иле

(Н)

лейцин

лей

(Н)

лизин

Лиз

(Н)

метионин

мет

(Н)

пролин

о

(3)

серин

август

(С)

тирозин

тир

(С)

треонин

Тре

(Н)

триптофан

три

(Н)

фенилаланин

фен

(Н)

цистеин

цис

(С)

Значение аминокислот, прежде всего, связано с тем, что они мономерами белков (структурная функция) и источником энергии (энергетическая функция). Однако аминокислоты выполняют и некоторые специфические функции. Например, из тирозина синтезируется гормон щитовидной железы - тироксин.

Нуклеотиды - органические соединения, молекулы которых состоят из азотистого основания, моносахарида и остатков фосфорной кислоты. Содержание в клетке - 0,4% от общей массы клетки. Итак, в состав молекул нуклеотидов входят: 1) азотистое (азотная) основа (А - аденин, или Г - гуанин, или Т - тимин, или Ц - цитозин, или В - урацил) 2) углевод, который представляют пентозы (рибоза или дезоксирибоза) и фосфорная кислота. Соединение азотистого основания из пентоз называется нуклеозидом. Нуклеотиды хорошо растворимые в воде. Они способны к полимеризации, образуя нуклеиновые кислоты (РНК и ДНК). Проявляют свойства кислот, так как содержат фосфорную кислоту, а благодаря азотистых оснований - основные свойства. В составе нуклеотидов есть два вида ковалентных связей: гликозидная (между азотистой основой и пентозы) и фосфоефирний (между пентозы и остатком фосфата).

Сочетаются нуклеотиды в полинуклеотидную цепь с образованием мижнуклеотидного 3 ', 5'-фосфодиефирного связи между пентозы одного нуклеотида и фосфатом другое. Нуклеотиды двух цепей объединяются на основе принципа структурной комплемен- тарности с помощью водородных связей. Свойства нуклеотидов зависят от состава азотистых оснований, пентоз и количества фосфатных остатков.

Нуклеотиды делят на рибонуклеотиды (адениловый, уридиловый, гуаниловый и цитидиловий) и дезоксирибонуклеотидов (адениловый, тимидиловой, гуаниловый и цитидиловий). Производными нуклеотидов является нуклеозиддифосфаты (нуклеотиды с двумя остатками фосфорной кислоты, например, АДФ, ГДФ), нуклеозидтрифосфатов (нуклеотиды с тремя остатками фосфорной кислоты, например, АТФ, ГТФ, ТТФ, ЦТФ), НАДФ, НАД, ФАД и др.

Нуклеотиды являются "строительными" субъединицами нуклеиновых кислот, в сочетании с другими группами образуют коферменты в составе ферментных систем, например, НАДФ, ФАД ( структурная функция ) •, участвуют в энергетическом обмене клеток, например, АТФ ( энергетическая функция ) •, участвуют в передаче гуморальных сигналов в клетку, например, циклический АМФ ( регуляторная функция ) и др.

Аденозинтрифосфорная кислота - органическое соединение, принадлежащих к свободным нуклеотидов и является универсальным химическим аккумулятором энергии в клетке. Молекула АТФ является нуклеотидов, который состоит из аденина, рибозы и трех фосфатов. При гидролитическом отщеплении фосфатной группы от АТФ высвобождается около 42 кДж энергии и образуется АДФ (аденозиндифосфорна кислота). Когда же от молекулы АТФ отщепляются два фосфаты, образуется АМФ (аденозинмонофосфорна кислота) и освобождается 84 кДж энергии.

Участок двойной спирали ДНК

Участок двойной спирали ДНК

В обратном процессе, при образовании АТФ из АДФ или АМФ и неорганического фосфата, происходит аккумуляция энергии в макроэргических связях, которые возникают между остатками фосфорной кислоты. Процессы расщепления и образования АТФ происходят постоянно в соответствии со схемой:

Итак, основная функция АТФ - это энергетическая, так как участвует в энергетическом обмене, запасаясь в своих макроэргических связях значительное количество энергии. Кроме энергетической функции АТФ в клетках также универсальным источником фосфатных групп.

Большинство макромолекул можно совместить в несколько классов: белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды.

Энциклопедия "Аванта +"

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >