Общая характеристика белков

0

Общая характеристика белков

Почему из всех молекул, известных химикам, наиболее приспособленными для выполнения разнообразных функций оказались биологические макромолекулы? Как они образовались? Почему из многих известных нам химических элементов в состав живых организмов входит лишь несколько? Как синтезировались первые биологические макромолекулы? Эти вопросы волновали не только специалистов — химиков, биологов, физиков, философов, но и всех, кто задумывался над истоками жизни на Земле.

Действительно, большинство живых организмов построено в основном из четырех элементов: водорода, кислорода, углерода и азота. Эти элементы составляют около 99 % массы всего живого. В неживой природе чаще встречаются совсем другие элементы: кремний, алюминий, кальций или другие металлы. Значит, в живом организме содержатся не самые распространенные элементы, а наиболее важные для реализации биологических функций. Атом углерода в этом отношении незаменим. Для завершения наружной электронной оболочки ему необходимо четыре электрона. Он способен образовывать ковалентные связи как с другими атомами, так и друг с другом, давая каркасы многочисленным органическим молекулам. Углерод, водород, азот и кислород самые легкие из тех атомов, которые способны образовывать прочные ковалентные связи, активно реагируя друг с другом.

Предполагают, что первые живые организмы появились на Земле 3,5 млрд. лет назад. Палеонтологические доказательства этому есть — бактерии, похожие на современные. Большое влияние на формирование представлений о происхождении жизни на Земле оказала теория советского биохимика А. И. Опарина, который предположил, что физико-химические превращения, происходившие в атмосфере тех далеких от нас эпох, могли приводить к образованию простейших примитивных органических соединений из неорганических: аммиака, воды

и, по-видимому, метана. Эти молекулы реагировали между собой под влиянием грозовых разрядов и солнечных лучей. И температура «молодой» Земли была, вероятно, выше. Первичные органические молекулы растворялись в теплом океане, взаимодействовали друг с другом, образовывая из века в век новые молекулярные формы. А. И. Опарин считал, что первые живые клетки появились в теплом «бульоне» первичного океана, жизнь «вышла из воды».

Однако во время создания этой теории (20-е годы) фактов, доказывающих или опровергающих это предположение, не было. Экспериментальное подтверждение теории возникновения жизни было осуществлено в 1953 г. П. Миллером. Он подвергал в колбе воздействию электрических разрядов смесь аммиака, водяных паров, водорода, а также и метана. После конденсации продуктов реакции получилась смесь органических веществ: глицина, аланина, аспарагиновой и глутаминовой кислот. В смеси находились также уксусная, молочная и пропионовая кислоты, мочевина и другие продукты (рис. 1). Органические соединения образовывались из тех же газов не только при действии электрических разрядов, но и при продолжительном тэблучении ультрафиолетовыми или рентгеновскими лучами, светом, обработке ультразвуком. Видимо, из огромного числа вариантов молекул в эволюции были «отобраны» универсальные «строительные» блоки, которые обеспечивали клетке выживаемость.

 

 

 

Рис. 1. Прибор для синтеза первичных органических соединений: 1 — электроды; 2 — искровой промежуток; 3 — смесь газов (NH3, СН4, Н2О; Н2);4 — приспособление для охлаждения.

 

Сейчас считают, что к таким первичным молекулам можно отнести всего лишь 29 соединений: 20 аминокислот, 5 азотистых оснований, жирную кислоту, сахар, глицерин и холин, а все остальные синтезированы на базе этих ключевых молекул. В последние годы было доказано, что и между этими соединениями существует связь. Методом меченых атомов установили, что атомы из одних молекул в результате ряда химических превращений веществ в организме включаются в состав других молекул. Например, атомы пуринового кольца, составляющего основу азотистых оснований, ранее входили в более простые химические соединения:

Есть много и других примеров взаимопревращений основных биомолекул в организмах, которые почти всегда катализируются специфическими ферментами.

Если из организмов растительного, животного или бактериального происхождения выделить отдельные молекулы, то окажется, что сами по себе эти молекулы не обладают свойствами живых организмов. Они будут подчиняться всем химическим и физическим законам, применимым к молекулам, выделенным из руд или полученным «в пробирке» химическими способами. Это утверждение относится и к макромолекулам, таким, как полисахариды, нуклеиновые кислоты и белки. Иными словами, для ряда объектов провести грань между веществом и существом бывает не просто.

Но у живых организмов есть и отличительные свойства, которые выделяют их из минерального мира. Все живые организмы: а) в химическом отношении довольно сложны; б) содержат в пределах своей системы химические соединения, принадлежащие к различным классам веществ; в) имеют определенные участки системы, специализирующиеся на выполнении какой-нибудь особой функции; г) способны использовать внешнюю энергию и преобразовывать ее; д) и, что особенно важно, воспроизводят себя и передают информацию о себе из поколения в поколение.

В последнее время выделились более конкретные химические науки, изучающие строение, свойства и превращение соединений, составляющих химическую основу живых организмов. И среди них — быстро развивающаяся биохимия. По выражению одного из специалистов, биохимия сегодня — «это своего рода суперхимия», т. е. химия, включающая в себя органическую, физическую, неорганическую и другие области химии, но на более высоком теоретическом и практическом уровне.

Часто не только в специальных научных журналах, но и в книгах для широкого круга читателей и в популярной периодической литературе встречается слово «биомолекулы». Это прежде всего сложные органические соединения с большой молекулярной массой, входящие в состав животных и растительных организмов. В нашей книге будет рассмотрен только один вид таких биологических молекул — белки. Для того чтобы попытаться представить себе весь класс этих соединений, обратимся к некоторым цифрам, взятым из специальной литературы. Например, в одной клетке бактерии кишечной палочки содержится примерно 5000 отдельных молекул различных органических соединений, из которых около 3000 приходится на разнообразные белки, а около 1000 — на нуклеиновые кислоты. В организме человека встречается уже более 5 млн. белков, причем различных, не похожих не только на упомянутые белки бактерий, но даже и между собой. Расшифровать и тем более синтезировать такое число белков практически невозможно.

Однако, несмотря на сложность строения и многообразие, они построены всего из 20 аминокислот, а другие сложнейшие биомолекулы — нуклеиновые кислоты — состоят только из 5 различных азотистых оснований. Это можно сравнить в какой-то степени со строительством огромного числа сооружений из нескольких типов кирпича. Только в природе такое разнообразие выражается еще более невообразимо громадными цифрами.

Важнейшую роль среди органических соединений, входящих в клетку, играют белки. И не только потому, что на их долю приходится около 50 % массы клетки в расчете на сухой остаток. Ведь без белков невозможно представить основные проявления жизни: движение, способность расти и размножаться, сократимость, пищеварение, раздражимость.

Слово «белок» знакомо нам с раннего детского возраста. Так называем все мы ту часть куриного яйца, которая приобретает белый цвет после свертывания в процессе кулинарной термической обработки.

Давно обнаружили, что и внутриклеточное содержимое, и сыворотка крови напоминают белок куриного яйца. Характерные реакции на белок дают не только продукты животного происхождения, но и клетки растений.

Иногда наряду с термином «белок» встречается термин «протеин». Эго одно и то же, но второе название подчеркивает первостепенную роль этих веществ и их биологическое значение (по греч. «протос» — первый, важнейший).

На основании химического анализа сделали вывод, что характерные реакции на белки дают и органические белковоподобные вещества костной ткани, хряща, волос, рогов, перьев и пр. Эти вещества в отличие от белков яйца, мышечной плазмы, сыворотки крови в воде не растворяются.

Химики знают, что для изучения свойств веществ их необходимо получить в химически чистом виде из смеси или синтезировать из других веществ. Но попытки выделения белков из внутриклеточных смесей традиционными химическими методами оказываются безуспешными: они не переносят нагревания, кристаллизации из горячих растворов, кипячения и ряда других воздействий. Поэтому в начале изучения белков занимались не исследованием их структуры, а устанавливали, из каких элементов состоят белки, выделенные из разных органов, тканей, организмов.

Независимо от источников получения белков (сначала неочищенных препаратов) исследователи обнаружили в них следующие элементы: углерод, кислород, водород, азот и небольшие количества серы. Оказалось, что азота в различных белках содержится всегда примерно одинаково — около 16%. Зная эту цифру, легко установить количество белка в разных биологических объектах:

где m — масса белка, m1 — масса азота.

Содержание белков можно определить и более точными современными методами, но они значительно сложнее. Существуют и способы раздельного определения количества разных белков.

Содержание других элементов в составе белка подвержено некоторым колебаниям в зависимости от присутствия тех или иных аминокислот или включения в макромолекулу небелковых участков: S — 0,3—2,5%, Р — 0,1—2,0%. В состав некоторых белков входят в незначительных количествах (иногда лишь один атом на макромолекулу белка) медь, железо, кальций, цинк, бром, иод или другие элементы.

Количество белков в различных тканях человека неодинаково. Если орган или ткань обезводить, а затем определить в них массу белка, то окажется, что она весьма значительна. Так, мышцы содержат до 80 % белка, а селезенка, кровь и легкие немного больше, почки — 72 %, кожа — 63 %, печень — 57 %, мозг — 45 %. Даже такие ткани, как жировая, а также кости и зубы содержат от 14 до 28 % белковой массы.

Свежие ткани растений также содержат белки. В семенах растений белков 10—15 %, в стеблях, корнях и листьях — 3 %, в плодах — 1—2 %.

Если учесть универсальную распространенность белков в животном, растительном и бактериальном мире и их значительные количества, можно с уверенностью сказать, что мы приступаем к рассмотрению интереснейшего и важнейшего класса химических соединений.

 

Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ

Пароль на архив: privetstudent.com

Категория: Рефераты / Химия

Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь.
Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.