Embedded Files
Стаття біологія 2.pdfСклад клітини
Багатоклітинним організмам притаманна симетрія, але вона змінюється на різних рівнях. Якщо уявити, що камера наближається до людини, щоб побачити спочатку людину повністю з його білатеральною симетрією, потім, наприклад, до руки, клітини й молекул. Ми бачимо, що на рівні клітини повертається сферична симетрія.
Клітини складаються з води, неорганічних іонів і вуглецевмісних (органічних) молекул. Вода є найпоширенішою молекулою в клітинах, на яку припадає 70% або більше від загальної маси клітини. Отже, взаємодія між водою та іншими складовими клітини має центральне значення в біологічній хімії
Неорганічні іони клітини, включаючи натрій (Na+), калій (K+), магній (Mg2+), кальцій (Ca2+), фосфат (HPO42–), хлорид (Cl–) і бікарбонат (HCO3–), складають 1% або менше клітинної маси. Ці іони беруть участь у ряді аспектів клітинного метаболізму і, таким чином, відіграють вирішальну роль у функціонуванні клітини.
Однак саме органічні молекули є унікальними складовими клітин. Більшість цих органічних сполук належать до одного з чотирьох класів молекул: вуглеводів, ліпідів, білків і нуклеїнових кислот. Білки, нуклеїнові кислоти та більшість вуглеводів (полісахаридів) є макромолекулами, утвореними шляхом з’єднання (полімеризації) сотень або тисяч низькомолекулярних попередників: відповідно амінокислот, нуклеотидів і простих цукрів. Такі макромолекули складають від 80 до 90% сухої маси більшості клітин. Ліпіди є ще одним основним компонентом клітин. Решта клітинної маси складається з різноманітних малих органічних молекул, включаючи макромолекулярні попередники.
Таким чином, основну хімію клітин можна зрозуміти з точки зору структур і функцій чотирьох основних класів органічних молекул.
Отже, основну хімію клітин можна зрозуміти з точки зору структур і функцій чотирьох основних класів органічних молекул з урахуванням водних зв’язків.
Симетрія води
Біологічні органічні й неорганічні молекули функціонують у водному середовищі, їхня просторова будова багато в чому визначається водним оточенням. Критичною властивістю води в цьому відношенні є те, що вона є полярною молекулою [1], в якій атоми водню мають додатний заряд, а атоми кисню – від’ємний. Кут між O–H зв’язками складає. Атоми водню асиметрично розміщені відносно атома кисню. Атом кисню на валентній оболонці містити 4 електрони, 2 з яких утворюють ковалентні зв’язки з електронами двох атомів водню. Завдяки різній електроспорідненості атомів водню та кисню ймовірність знаходження електронів ковалентного зв’язку має зсув у бік атома кисню. Електронні орбіталі неподіленої пари валентних електронів кисню теж зсуваються і розташовуються перпендикулярно площині Н–О–Н.
З приводу структури води у рідкий фазі єдиної думки немає. Під час плавлення льоду кристалічні грати частково руйнуються і частина води виявляється незв'язаною. Однак, як показали дані рентгенографічного аналізу, у воді зберігаються ознаки впорядкованої структури. Згідно з однією з моделей рідкої води, моделі мерехтливих кластерів, у воді є впорядковані області, подібні до структури льоду – кластери, і невпорядковані області, які не пов'язані водневими зв'язками молекули. Приклади найпростіших кластерів з трьох, чотирьох та п’яти молекул води можна бачити на малюнку. Видно, що вони мають радіальну симетрію.
Молекули води, перебуваючи у вузлах кластерів у воді, здійснюють поступальні та обертальні коливання навколо положення рівноваги з періодами і с. Тому кластери та неструктуровані області постійно обмінюються молекулами. Згідно з розрахунками Г. Неметі та Х. Шерага, при температурі 20 частка молекул, об'єднаних у кластери, становить 70 %, а вільних – 30%. З підвищенням температури дедалі більше молекул перетворюється на незв'язаний стан, а середній розмір кластерів та його кількість зменшується.
Отже, вода – це досить складна сполука. Те, що молекула води електричний диполь має важливе значення для властивості рідини або кристалів. Навколо розчинених у воді макромолекул та іонів утворюється гідратна оболонка, у воді можуть виникати різні зв’язки – водневий, гідрофільний й гідрофобний.
Структура та властивості біополімерів
Структура макромолекул має кілька рівнів організації.
Первинною структурою є послідовність мономерів, що утворюють полімерний ланцюг, у білках - це послідовність амінокислот, у нуклеїнових кислотах – нуклеотидів. Первинна структура стабілізована ковалентними зв'язками, тоді як інші рівні організації – переважно слабкими зв'язками (водневими, гідрофобними, електростатичними та іншими).
Під вторинною структурою розуміють регулярне розташування в просторі елементів ланцюга. Наприклад, вторинна структура нуклеїнових кислот - це спіраль.
Третинною структурою називають взаємне розташування в просторі регулярних і нерегулярних елементів ланцюга, хоча насправді різниця між вторинною і третинною структурою є умовною. Деякі макромолекули складаються з кількох ланцюгів, які називаються субодиницями.
Взаємне розташування субодиниць визначає четвертинну структуру біополімерів.
Більшість органічних молекул асиметричні, тобто немає ні площини, ні центру симетрії, але мають дзеркальну симетрію, тобто вони мають властивість хіральності.
2-04-3 Зв'язки.mkv
Хіральність молекул
вУ 1847 році Луї Пастер – майбутній знаменитий «мисливець за мікробами» - зробив дивовижне відкриття. Він вивчав винну кислоту, яка міститься багатьох природних продуктах. Трохи раніше відкрили її властивість обертати площину поляризації світла. Луї Пастер вирішив продовжити дослідження. І з'ясував, що природна винна кислота має цю властивість, а синтезована в лабораторії – ні!
Тоді Пастер виділив кристали винної кислоти та розглянув їх під мікроскопом. Виявилося, що природній кислоті форма всіх кристалів однакова. А «лабораторна» кислота утворює суміш двох видів кристалів: одні точнісінько, як природні, інші ж – їхнє дзеркальне відображення, причому тих та інших кристалів порівну!
Пізніше з'ясувалося, що ця особливість винної кислоти пов'язана із будовою її молекул. Більше того, існування звичайних і дзеркальних форм спостерігається в дуже багатьох речовинах живої природи.
У 1893 році англійський фізик лорд Кельвін придумав для цього явища термін хіральність. Термін «хіральність» походить від давньогрецького слова «хейр» – рука (той самий корінь, що й у слові «хірург»), оскільки наші долоні є дзеркально симетричними. Права та ліва рука – дзеркальні відображення одна одної. Їхня анатомічна будова абсолютно однакова, але права рука ніколи не стане лівою, як її не крути й не перевертай, – це принципово різні геометричні об'єкти.
Те саме можна сказати про більшість біологічно активних молекул. Річ у тім, що кожен атом вуглецю може утворювати чотири хімічні зв'язки, спрямованих до вершин тетраедра. Про асиметричний атом вуглецю говорять, коли всі його чотири зв'язки ведуть до різних атомів або груп атомів. Саме тоді дзеркальні форми несумісні одна з одною. Якщо ми спробуємо поєднати у просторі атоми 1 і 2 на малюнку, то атоми 3 та 4 поміняються місцями.
Розглянемо це на прикладі бромфторхлорметані CHBrClF. У стереохімічних формулах звичайні рисочки зображають хімічні зв'язки в площині малюнка, потовщені з кінця риси – зв’язки, які спрямовані в бік читача, пунктирні зв’язки – від нього. CHBrClF (ліворуч) та його енантіомер (у центрі) – є дзеркальними відображеннями один одного. Права структура, після знаку «не дорівнює», отримана обертанням лівої структури навколо вертикальної осі C–Cl. Добре видно, що центральна та права структури не збігаються.
Хіральність – це здатність об'єкта мати своє дзеркальне відбиття, не тотожне оригіналу. Інакше кажучи, об'єкт і його дзеркальне відбиття не можуть бути суміщені тільки обертанням і лінійним переміщенням.
Енантіомери
Енантіомери
Енантіомери – це стереоізомери, які є неідентичними повними дзеркальними відображеннями один одного. У симетричному оточенні енантіомери мають ідентичні хімічні й фізичні властивості, за винятком їх здатності обертати площину поляризації світла, яка у двох енантіомерів ідентична за модулем і протилежна за напрямком.
Для систематизації енантіомери позначають літерами L і D. Систематизація з L і D була введена Е. Фішером для опису відносної конфігурації моносахаридів. Позначення пов'язано з розташуванням функціональної групи (гідроксильної для вуглеводів і аміногрупи для амінокислот) нижнього хірального центру в проєкції Фішера для даної сполуки. Якщо функціональна група розташовується ліворуч від карбонового скелету, то такий енантіомер позначають символом L (лат. lævus — лівий), якщо ж вона розташовується праворуч, то це D-енантіомер (лат. dexter — правий).
R і S номенклатура є найчастіше використовуваною, оскільки дозволяє вказати абсолютну конфігурацію кожного хірального центру в молекулі. Експериментальне визначення абсолютної конфігурації стало можливим завдяки розвитку рентгеноструктурного аналізу, який дозволяє встановити точне просторове розташування атомів в молекулі.
Даний вид номенклатури ґрунтується на привласненні атома вуглецю позначення R або S на підставі взаємного розташування чотирьох пов'язаних з ним замісників. При цьому для кожного із замісників визначають старшинство відповідно до правил Кана – Інгольда – Прелога, потім молекулу орієнтують так, щоб молодший заступник був направлений в сторону від спостерігача, і встановлюють напрямок падіння старшинства інших трьох заступників. Якщо старшинство зменшується за годинниковою стрілкою, то конфігурацію атома вуглецю позначають R (rectus – правий), в протилежному випадку – S (sinister – лівий).
Сучасні методи встановлення структури сполуки дозволяють встановлювати абсолютну конфігурацію молекул, і необхідності її порівняння з гліцериновим альдегідом більше немає. Однак L і D номенклатура традиційно зберігається в назвах вуглеводів і амінокислот.
Фізичною стороною хіральності є здатність розчину стереоізомеру обертати площину поляризації плоскополяризованого світла. Одні стереоізомери обертають площину поляризації проти годинникової стрілки для спостерігача, який дивиться назустріч променю, вони називаються лівообертальними (від’ємна спіральність), перед ними ставлять знак «–». Інші обертають площину поляризації за годинниковою стрілкою і називаються правообертальними (додатна спіральність, «+»). Суміш двох стереоізомерів, взятих у рівних кількостях, оптичної активності не має.
У молекулі може бути більше одного асиметричного атома. Наприклад, молекула винної кислоти, містить два хіральні центри, причому однотипних. Тому для неї можливі три форми: «обидва центри праві», «обидва ліві» (саме ці «праві» і «ліві» кристали і спостерігав Пастер), або два центри нейтралізують один одного — один «правий», інший «лівий». Ця третя форма називається мезовинною кислотою і відрізняється як від правої, так і від лівої [3].
Хіральних центрів може бути ще більше. У молекулі глюкози їх чотири, а в молекулах білків - багато сотень, адже практично всі амінокислоти містять асиметричні атоми. При цьому, з молекули глюкози, змінюючи «правизну» або «лівизну» деяких центрів, можна отримувати й інші природні цукри. А ось у природних білках все однозначно. Усі амінокислоти обов'язково «ліві». «Праві» амінокислоти в живій природі зустрічаються дуже рідко [1, 3, 4].
І навпаки – у молекулах ДНК, всі ланки «праві». Ось чому спіраль ДНК закручена в певний бік [1, 3].
Синтезувати лише один конкретний ізомер досить складно, природа справляється із цим набагато краще, ніж сучасний органічний синтез.
Вплив хіральності молекул на організм
Героїня книги Льюїса Керролла «Аліса в Задзеркаллі» говорила кошеняті Кітті: «Не знаю, чи можна пити задзеркальне молоко». Аліса правильно сумнівалася. Якщо всі молекули цього молока виявляться дзеркальними відображеннями молекул звичайного молока, то пити його звичайним людям і тваринам, швидше за все, не можна [3, 4].
Однією з найцікавіших загадок зародження життя є перевага у використанні в якості блоків білків L-амінокислот, у той час як їх D-аналоги, участі в будові білків не беруть. Причини такої асиметрії залишаються досі невизначеними. Адже на початку часів, коли на Землі відбувався синтез різних речовин із найпростіших симетричних молекул, мали утворюватися рівні кількості «лівих» і «правих» молекул усіх видів. Але життя влаштоване інакше.
Живі істоти чутливі до дзеркальної симетрії молекул. Розрізняють і розпізнають їх.
Наприклад, молекула пеніциламіну має «праву» й «ліву» конфігурації S-пеніциламін (D-конфігурація) – ефективний препарат при хворобі Вілсона, є антиартритним препаратом. А R-пеніциламін (L-конфігурація) – є надзвичайно нейротоксичним мутагеном. Хвороба Вілсона пов’язана з порушенням обміну міді. Пеніциламін при лікуванні відіграє роль хелатуючого засобу, що міцно зв'язується з міддю. Хелатуючі речовини (хелатоутворюючі) – це група речовин, яка реагує з певними іонами металів, у результаті чого утворюються розчини складних речовин – хелатів. І якщо S- і R-форми однаково добре пов'язують мідь, то виявляється, що R-форма ще здатна зв'язуватися з тими ж білками, що і піридоксин, тобто вітамін B6. Через це вона стає нейротоксичною. Таких прикладів дуже багато.
Інший приклад – молекула лімонену С₁₀H₁₆. Лімонен походить від італійського limone («лимон»). Лімонен є теж хіральною молекулою. D-лімонен (R-конфігурація) присутній у шкірці цитрусових. Він має приємний, освіжаюче-солодкий цитрусовий аромат. L-лімонен (S-конфігурація) міститься в їстівних частинах таких рослин, як кмин, кріп, бергамот. Він має яскраво виражений запах хвої або скипидарний запах.
Для будови білків використовуються L-амінокислоти. Амінокислоти (амінокарбонові кислоти) – органічні сполуки, в молекулі яких одночасно містяться карбоксильні та амінні групи.
Відомо понад 200 природних амінокислот. У вигляді білків амінокислоти є другим після води компонентом м'язів, клітин та інших тканин людського організму. В якості прикладу можна привести аланін. L-аланін є незамінною амінокислотою, яка зустрічається у високій кількості у вільному стані в плазмі. Він бере участь в обміні цукру і кислоти, підвищує імунітет, забезпечує енергією м'язову тканину, мозок і центральну нервову систему [1, 3]. У той час, як D-аланін в організмі людини майже не зустрічається. Але D-аланін є важливим компонентом для клітинних стінок бактерій [5].
Вплив D-амінокислот на організм
Вплив D-амінокислот на організм
Однак, D-амінокислоти зустрічаються та потрапляють в організм тварин. Присутність D-амінокислот в організмі тварин була встановлена в 1969 році [4]. Якщо говорити про тварин, то основна частина D-амінокислот потрапляє до їхнього організму через життєдіяльність мікроорганізмів та грибів. D-амінокислот особливо багато в ферментованих та зіпсованих продуктах.
D-амінокислоти присутні в деяких рослинах, фруктах та овочах. Зазвичай кількість D-амінокислот, що містяться у фруктах та овочах, нижче 3,4% та 0,7%, відповідно. Найбільша кількість окремих D-амінокислот виявлена в грейпфруті – 3,4% D-аспарагіну та 1,9% D-аспарагінової кислоти, в яблуках – 2,7% D-аланіну та 1,7% D-серину, у клементинах – 13% D-глутамінової кислоти. Присутність D-амінокислоти природно для ферментованих продуктів. Вони в них в основному утворюються в результаті діяльності мікроорганізмів. У виробництві ферментованих продуктів часто використовується спиртове, оцтовокисле та молочнокисле бродіння. Кожне з них робить свій внесок в утворення D-амінокислот.
Загалом, D-амінокислоти перешкоджають засвоєнню поживних речовин. Найпростіші та очевидні відмінності L- та D-амінокислот – це смак та запах. D-амінокислоти набагато солодші від своїх дзеркальних «родичів». Особливий запах D-амінокислот надає характерної пікантності винам, сирам та квашеним продуктам.
Про вплив D-амінокислот на тварин відомо мало. D-амінокислоти мають іншу дію на організм тварини, ніж L-ізомери. Так, D-серин надає заспокійливу, антистресову дію та покращує просторову пам'ять. D-фенілаланін діє як знеболювальна, а D-аспарагінова кислота та D-аланін при прийомі всередину омолоджують шкіру. Нарешті, різниться взаємодія з ферментами організму. Метаболізм D-амінокислот в організмі людини досі залишається спірним питанням. Для біологічного використання D-ізомерів відомо два шляхи, які перетворюють D-амінокислоти на L-енантіомер. Неметаболізовані D-амінокислоти виводяться із сечею.
Отже, D-амінокислоти в життєдіяльності різних форм життя все ж присутні.
Висновки
Висновки
Таким чином, симетрія молекул відіграє в життєдіяльності одну з вирішальних ролей. Вибірковість і чутливість до дзеркальній симетрії молекул у живих істотах – одна з невирішених проблем у питанні походження життя на Землі. Але очевидно, що хімічні сполуки, які мають однаковий хімічний склад, але мають дзеркальні копії, ведуть себе по-різному. Чому в якості блоків білків використовуються тільки L-амінокислоти, а в молекулах ДНК всі ланки «праві»? Причини такої асиметрії залишаються досі невизначеними.
Утім, польський фантаст Станіслав Лем у «Зоряних щоденниках Ійона Тихого» висунув оригінальну версію. Колись на неживій Землі зупинився корабель прибульців, і його нетверезі пілоти жартома створили життя на планеті: вилили на скелі зіпсовані речовини з холодильника й розмішали їх лопатою та кочергою, скособоченими вліво. З того часу всі білки складаються з «лівих» ланок.
Page updated
Google Sites
Report abuse