БИОТЕХНОЛОГИЯ. Контрольные задачи с ответами по химии (2016 год)

Биотехнология - это использование живых организмов и биологиче-

ских процессов в производстве. Термин «биотехнология» получил широкое

распространение с середины 70-х годов ХХ века, хотя такие отрасли био-

технологии, как хлебопечение, виноделие, пивоварение, сыроварение, ос-

нованные на применении микроорганизмов, известны с незапамятных вре-

мен. Современная биотехнология характеризуется использованием биоло-

гических методов для борьбы с загрязнением окружающей среды (очистки

вод), для защиты растений от вредителей и болезней, производства анти-

биотиков, гормональных препаратов.

Развитие генетики позволяет получать ранее недоступные препараты

(инсулин, гормон роста, интерферон и др.). К достижениям биотехнологии

можно отнести применение иммобилизованных ферментов, получение

синтетических вакцин, использование клеточной технологии в племенном

деле.

Микроорганизмы как эффективные преобразователи веществ в

окружающей среде

Мир микроорганизмов обширен и разнообразен. Он включает в себя

многие тысячи представителей разных систематических групп, причем от-

крываются все новые и новые виды. Размеры микроорганизмов меньше

разрешающей способности человеческого глаза (около 0,2 мм), поэтому их

изучение связано с использованием микроскопов, а также особых методов

выращивания, обычно на стерильных средах, и последующим выделением

в виде чистых культур.

Чистая культура микроорганизмов одного вида, у которых изучены

морфологические и физиологические особенности, называется штаммом.

Разнообразные штаммы микроорганизмов одного и того же вида могут по

ряду свойств, например, по чувствительности к антибиотикам, отличаться

друг от друга.

На основании особенностей организации клеток, т.е. их морфологии,

микроорганизмы подразделяют на прокариоты и эукариоты. К прокарио-

там относятся наиболее простые виды микроорганизмов, например, бакте-

рии, так называемые микрофлоры. Более сложные виды микроорганизмов

носят название эукариотов; их морфология и физиология достаточно

сложны. К эукариотам относятся многие водоросли, простейшие, напри-

мер, амебы и грибы. По строению клеток они принципиально не отлича-

ются от высших растений и животных, включая человека.

Микроорганизмы подвижны. Размножение их чаще всего происхо-

дит путем простого деления клеток, иногда почкованием или другими бес-

половыми способами. Однако у многих эукариотов размножение осущест-

вляется половым путем, в результате которого возникают новые комбина-

ции генов. Ген - это единица наследственности, вернее единица наследст-

венного материала, то есть определенного участка высокомолекулярного

биополимера - дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), ответственной за

формирование какого либо признака, например, цвета глаз у человека. Со-

вокупность всех генов организма составляет его генетическую конститу-

цию, так называемый генотип. Генетическая рекомбинация, или обмен ге-

нов, имеет место и у прокариотов, однако в отличие от эукариотов, при

этом происходит лишь частичная передача генетического материала из од-

ной клетки в другую.

Иногда к микроорганизмам относят и вирусы, но чаще их рассмат-

ривают как особую категорию биологических объектов, поскольку они не

имеют клеточного строения, содержат, в отличие от эукариотов и прока-

риотов, лишь один тип нуклеиновых кислот и размножаются только в чу-

жих клетках, так называемых клетках хозяина. Вирусы находят у разных

организмов, в том числе и у бактерий. Вирусы бактерий принято называть

бактериофагами.

Несмотря на малые размеры, микроорганизмы могут осуществлять

разнообразные процессы, имеющие большое значение в природе и в прак-

тической деятельности человека.

Важным свойством микроорганизмов является их способность к бы-

строму размножению. Известны бактерии, которые делятся каждые 30…60

и даже 8…10 минут, в результате из одной бактериальной клетки массой

около 2,5·10^-12г за 2−4 сут в условиях неограниченного роста может обра-

зоваться биомасса в количестве более 10 тонн. В действительности этого

конечно не происходит, так как действуют различные лимитирующие фак-

торы, связанные с доступностью питательных веществ, но ясно одно, что

возможности микроорганизмов в данном отношении намного превосходят

растения и животных. Для примера можно привести следующие данные по

увеличению биомассы.

Время, необходимое для удвоения биомассы некоторых микроорга-

низмов, растений и животных составляет: бактерии и дрожжи - 20-120

мин, плесени и водоросли - 2-6 ч, трава и растения - 1-2 дня, цыплята - 2-4

дня, поросята - 4-6 недель, крупный рогатый скот - 1- 2 месяца.

Из представленных данных видно, что микроорганизмы обладают

явным преимуществом по скорости увеличения количества биомассы по

сравнению с другими живыми объектами.

В зависимости от вида дыхания микроорганизмы подразделяются на

аэробов и анаэробов. Для первых видов микроорганизмов для дыхания

обязательно требуется кислород или воздух. Вторые могут жить в бески-

слородных условиях и потреблять в процессе своей жизнедеятельности

Н₂S, а также сульфат- или нитрат- и другие ионы.

Максимальная температура, при которой может существовать боль-

шинство известных микроорганизмов обычно не превышает 40-50 ^оС, но

споры некоторых бактерий сохраняют способность к прорастанию даже

после их прогревания при температурах 100-160 ^оС. Обнаружены также

бактерии, растущие при 90-110 ^оС. Они получили название термофилов в

отличие от обычных бактерий, живущих при 40-50 ^оС, которые носят на-

звание мезофилов. Некоторые микроорганизмы, называемые психрофила-

ми, могут расти только при температуре 5-20 ^оС.

Известны ацидофильные микроорганизмы, которые выдерживают

высокую концентрацию кислот и растут при рН среды ниже 1,0. В природе

существуют также формы микроорганизмов, живущих в щелочной среде.

Некоторые микроорганизмы проявляют высокую устойчивость к ионам

тяжелых металлов, обычно токсичных в достаточно низких концентраци-

ях. Интересную группу представляют красные галобактерии, способные

расти даже в насыщенном растворе NaCl.

Отдельные микроорганизмы переносят значительное гидростати-

ческое давление до

1000-1400 атм. Многие виды микроорганизмов со-

храняют свою жизнедеятельность в глубоком вакууме. Известны микроор-

ганизмы, выдерживающие высокие дозы ионизирующего излучения, при-

чем некоторые из них могут существовать в атомных реакторах.

Очень разнообразны микроорганизмы в отношении питания. Многие

микроорганизмы, называемые автотрофами, синтезируют все необходи-

мые компоненты клеток из углекислоты и воды. К их числу относятся

микроформы водорослей и ряд бактерий, которые, как и зеленые растения,

используют для биосинтетических процессов энергию света, т.е. осущест-

вляют фотосинтез.

Некоторые микроорганизмы нуждаются для роста в таких биогенных

элементах (биогенах), как азот, фосфор, сера, марганец, а также в готовых

органических соединениях, например, в витаминах. Такие микроорганиз-

мы носят название гетеротрофы и к ним относятся многие бактерии, гри-

бы и простейшие. Часть таких микроорганизмов растет только на сложных

средах, содержащих витамины, аминокислоты и другие органические со-

единения.

В целом микроорганизмы способны использовать весьма разнооб-

разный ассортимент питательных веществ - субстратов, начиная с высо-

комолекулярных

(белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды) и кончая

низкомолекулярными соединениями (аминокислоты, глюкоза). К числу ор-

ганических соединений, которые используются микроорганизмами, обыч-

но относят целлюлозу, лигнин, углеводы, углеводороды и ряд других со-

единений. Известны микроорганизмы, использующие для своего роста не

только природные вещества, но также синтетические пластмассы, пести-

циды и другие соединения неприродного происхождения.

Уникальным свойством ряда бактерий (нитрифицирующие бактерии)

является способность фиксировать и усваивать молекулярный азот, что

имеет существенное значение для плодородия почв и общего круговорота

азота в природе.

Чрезвычайно важно для практики то обстоятельство, что в процессе

роста микроорганизмов на различных субстратах они способны выделять в

питательную среду такие важные химические соединения как ферменты,

полисахариды, антибиотики, органические кислоты и другие продукты их

первичного и вторичного метаболизма.

Метаболизм, т.е. обмен веществ, у многих микроорганизмов может

существенно меняться в зависимости от условий среды. Этот факт помога-

ет выяснить механизм, лежащий в основе регуляции ряда биохимических

реакций, с целью получения нужных для практики химических веществ.

Огромное значение имеет исследование микроорганизмов для разви-

тия молекулярной биологии и генетики. Достаточно напомнить, что пер-

вые данные относительно роли дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК)

как носителя генетической информации были получены в опытах на бак-

териях. Эти опыты явились основой для развития генетической инжене-

рии, т.е. получении штаммов из прокариотов или простейших эукариотов -

продуцентов таких важных для человека белков как инсулин, соматотро-

пин, некоторых сывороток гепатита, антикоагулянтов, пептидных гормо-

нов, отсутствие которых может оказаться летальным для человека.

Изучение биохимии и жизнедеятельности микроорганизмов вносит

ценный вклад в понимание биологической эволюции. Эти исследования

расширяют представления о роли биосферы в условиях земного существо-

вания, к которой относятся почва, вода, воздух и весь животный мир, насе-

ляющий нашу планету, а также имеет большое значение в связи с вопро-

сом о существовании жизни на других планетах в условиях других

галактик.

Строение и типы клеток. Поворотным пунктом в понимании жи-

вых систем можно считать 1838 год, когда немецкие ученые ботаник М.Я.

Шлейден и биолог Т. Шванн впервые сформулировали клеточную теорию,

постулировавшую, что все живые системы состоят из клеток и продуктов

их жизнедеятельности. Таким образом, была создана концепция основного

строительного элемента жизни. Эта концепция об общем для всех живых

организмов элементе структуры позволила разделить изучение живых сис-

тем на два этапа, на первом из которых исследуют составляющие системы

клетки, а затем на этой основе стараются понять структуру организма в це-

лом.

Наличие общих для всех клеток особенностей, как правило, сущест-

венно упрощает задачу изучения поведения микроорганизмов. Сконцен-

трировав внимание на самых универсальных функциях клеток, можно соз-

дать основу для понимания функций всех живых систем.

Вышеназванный подход во многих случаях является вполне оправ-

данным, но это вовсе не значит, что все существующие клетки идентичны.

Напротив, клетки мышц, например, резко отличаются от клеток глаза или

мозга. Еще большие отличия наблюдаются между клетками растений и

животных.

Существует множество типов одноклеточных организмов, которые

вкупе со всеми их особенностями строения могут быть разделены на две

основные группы: прокариотов и эукариотов.

Прокариотические клетки. Структура прокариотических клеток или

прокариотов, также как и других клеточных систем, была установлена с

помощью электронных микроскопов высокой разрешающей способности.

В настоящее время достоверно установлено, что прокариоты не имеют за-

ключенного в мембрану ядра, отличаются относительно небольшими раз-

мерами и простотой строения. Обычно они существуют изолировано, вне

связи с другими клетками. Линейные размеры этих клеток, которые могут

иметь сферическую, палочкообразную или спиральную форму, как прави-

ло, составляют от 0,5 до 3 мкм. В первом приближении можно считать, что

масса одного прокариота составляет 10^-12г.

Микроорганизмы этого типа растут очень быстро и широко распро-

странены в природе. Некоторые прокариоты могут удваиваться в размере,

массе и числе за 20 мин. Прокариоты, как правило, биохимически универ-

сальны в том смысле, что они могут усваивать самые разнообразные пита-

тельные вещества из имеющейся в окружающей среде смеси. Эта особен-

ность прокариот способствует тому, что прокариотические клетки могут

приспособиться к самым разным условиям. Поскольку прокариоты обычно

существуют как изолированные одноклеточные организмы, у них практи-

чески нет средств контроля окружающей среды. По этой причине прояв-

ляемая ими гибкость в выборе питательных веществ необходима для их

выживания, Быстрый рост и биохимическая универсальность прокариот

делают их незаменимыми в биологических исследованиях и биохимической

технологии.

Прокариотическая клетка окружена жесткой стенкой толщиной око-

ло 200 Å. Стенка обеспечивает сохранение клетки как единого целого, что

необходимо для ее выживания в меняющихся условиях среды. Непосред-

ственно под стенкой расположена клеточная мембрана, которая обычно

имеет толщину около 70 Å и по строению не отличается от мембран дру-

гих клеток. Иногда ее называют плазматической мембраной. Важнейшая

функция мембраны заключается в транспорте веществ из клетки в среду и

наоборот, причем от мембраны зависит, какие вещества и с какой скоро-

стью будут транспортироваться в клетку и из клетки. Внутри клетки име-

ется довольно большая, четко не ограниченная область, называемая нук-

леоидом, которая играет основную роль в контроле жизненно важных

функций клетки. Темные пятнышки неправильной формы внутри клетки

изображают рибосомы - центры важнейшего биохимического процесса -

белкового синтеза. Цитоплазмой называется жидкость, занимающая весь

остальной объем клетки. В прокариотической клетке имеются также свет-

лые, напоминающие пузырьки области, называемые резервными

гранулами.

Обладая многими общими структурными и функциональными эле-

ментами, различные прокариоты могут в то же время существенно отли-

чаться друг от друга. Например, у сине-зеленых водорослей имеются мем-

браны, способные улавливать энергию света и использовать ее для фото-

синтеза. В этом сложном процессе усвоения солнечной энергии клетки

обеспечиваются необходимым для их жизнедеятельности органическим

веществом и выделяют в атмосферу кислород.

Второй основной тип клеток составляют эукариотические клетки.

Эукариотами называют клетки, ядро которых заключено в мембрану. Как

правило, эукариотическая клетка по объему в 1000 - 10 000 раз больше

прокариотической. К этому типу клеток принадлежат все клетки выс-

ших организмов. Эукариотические клетки отличаются большим разнообра-

зием форм, что необходимо, в частности, для обеспечения различных спе-

циализированных функций. В составе высших организмов эти клетки со-

существуют и взаимодействуют друг с другом различными путями и по-

этому не нуждаются в биохимической гибкости и приспособляемости,

столь необходимых для прокариотов.

По степени сложности внутренней структуры эукариоты намного

превосходят прокариотические клетки. Для эукариот характерна высокая

степень пространственной организации и дифференциации отдельных

элементов клеточной структуры. Внутренний объем клетки разделен на

ряд четко ограниченных структурных компонентов. Каждый из этих ком-

понентов имеет свою структуру и функцию, необходимую для нормальной

жизнедеятельности всей клетки.

Клетка окружена плазматической мембраной, аналогичной мембране

прокариот. Снаружи эта мембрана может быть защищена клеточной стен-

кой или оболочкой. Природа других покровных структур клетки зависит от

ее типа. Так, клетки высших животных обычно окружены тонкой оболоч-

кой, особые адгезивные свойства которой существенны для связывания

клеток друг с другом и последующего образования специализированных

тканей и органов (например, печени). Клетки растений, напротив, обычно

окружены очень толстой и прочной стенкой. Стенки отмерших клеток де-

ревьев представляют собой основную составную часть древесины.

В специализации различных структурных элементов эукариот боль-

шую роль играют внутриклеточные мембраны. От клеточной мембраны

внутрь клетки отходит сложная мембранная система, называемая эндо-

плазматическим ретикулумом или эндоплазматической сетью. Ядра эу-

кариот окружены пористыми мембранами. К поверхности большинства

элементов эндоплазматического ретикулума прикреплены рибосомы

центры белкового синтеза, о чем уже упоминалось в главе, посвященной

прокариотам. Рибосомы последних, однако, несколько меньше рибосом

эукариот.

Основной функцией ядра эукариот является контроль и регулирова-

ние каталитической активности рибосом, причем выделяемые ядром хи-

мические посредники не только регулируют скорость химических реакций,

но и определяют последовательность присоединения аминокислот при

синтезе белка.

Ядро представляет собой один из структурных элементов клетки, ок-

руженной мембранами. Эти специализированные заключенные в мембра-

ну структуры в общем случае называют органоидами. Митохондрии - это

органоиды с чрезвычайно специализированной и высокоупорядоченной

специализированной структурой; митохондрии катализируют реакции, яв-

ляющиеся основным источником клеточной энергии. В клетках прото-

трофов, которые в качестве первичного источника энергии используют

свет, роль основного генератора энергии играют другие органоиды-

хлоропласты. Помимо обеспечения клеток энергией хлоропласты и мито-

хондрии выполняют и многие другие биохимические функции.

У эукариот есть и другие органоиды - комплекс Гольджи (аппарат

Гольджи, пластинчатый комплекс), лизосомы и вакуоли. В самых общих

чертах их функции сводятся к осуществлению некоторых химических ре-

акций и к компартментализации (т.е. к приуроченности к определенным

участкам клетки) ряда соединений, обеспечивающих изоляцию последних

от остальной плазмы. Процессы компартментализации важны как с точки

зрения эффективности протекания реакций, так и с точки зрения предот-

вращения нежелательных взаимодействий между содержимым органоидов

и другими компонентами клетки.

Обнаружение описанных выше типов органоидов в самых различных

эукариотах позволило по-новому оценить основные преимущества клеточ-

ной теории. Теперь различные стороны жизнедеятельности клеток можно

рассматривать как сумму происходящих в органоидах процессов, каждый

из которых в свою очередь можно изучать отдельно. Считается, что орга-

ноиды одного типа выполняют аналогичные операции и функции незави-

симо от природы клеток, к которым они принадлежат; пока что не обнару-

жено исключений из этого правила.

Характеристика микроорганизмов. Все живые существа с очень

простой биологической организацией по сравнению с растениями и жи-

вотными относятся по микробиологической классификации к царству

протистов. К этому царству принадлежат все одноклеточные, а также

многоклеточные организмы, построенные из клеток только одного типа

(бактерии, сине-зеленые водоросли, грибы, водоросли, простейшие, плесе-

ни, дрожжи), тогда как растения и животные отличаются большим разно-

образием типов клеток.

Бактерии. Бактерии представляют собой относительно небольшие

организмы, обычно заключенные в жесткую оболочку. У многих видов

бактерий наружная сторона клеточной стенки покрыта упругой, вязкой

оболочкой, называемой капсулой или слизистым слоем. Бактерии пред-

ставляют собой одноклеточные организмы; морфологически они могут

быть разделены на три основные группы: спиралевидные - Spirilla, сфери-

ческие - Cocci и палочкообразные - Bacilli. Большинство бактерий не спо-

собно поглощать световую энергию, может самопроизвольно передвигать-

ся и размножаться путем деления на две дочерние клетки, хотя из всех

этих правил известно множество исключений.

Часть бактерий окрашивается на чашках Петри, специальных стек-

лянных чашечках, где обычно выращиваются микроорганизмы, красите-

лем - кристаллическим фиолетовым в голубой цвет и носит название

грамположительных в честь исследователя Грама, предложившего подоб-

ную классификацию бактерий, другая часть бактерий не окрашивается

этим красителем в голубой цвет и носит название грамотрицательных.

Многие бактерии по своим свойствам хорошо коррелируют с этой цветной

реакцией, отражающей существенные различия в структуре их оболочек.

При промышленном использовании микроорганизмов особенно ва-

жен вопрос, обязательна ли подача кислорода в питательную среду. Как

уже отмечалось ранее, в аэробных процессах для питания микроорганиз-

мов необходима подача кислорода или воздуха. К числу таких процессов

относятся практически важные микробиологические производства уксуса,

некоторых антибиотиков и добавок к кормам сельскохозяйственных жи-

вотных. Одна из основных трудностей при разработке технологии подоб-

ных процессов, связана с ограниченной растворимостью кислорода в ти-

пичных для таких систем водных средах. В анаэробных процессах, напри-

мер в производстве некоторых спиртов или при переработке органических

отходов, микроорганизмы с успехом функционируют и в отсутствии ки-

слорода.

Для промышленного использования и контроля бактериального за-

ражения не менее важна способность бактерий образовывать в неблаго-

приятных условиях так называемые эндоспоры. Последние представляют

собой «спящую» форму клетки, в которой они без вредных для себя по-

следствий переносят воздействие повышенной температуры, радиации и

ядохимикатов. Когда споры оказываются в пригодной для их жизнедея-

тельности среде, они превращаются в нормально функционирующие клет-

ки. В отличие от споровой формы это нормальное, биологически активное

состояние клеток часто называют вегетативной формой.

Существуют две основные группы бактерий: спорообразующие и не

способные образовывать споры. Как уже отмечалось ранее, споры споро-

образующих бактерий весьма устойчивы. Например, аэробные бактерии

рода Bacillus чрезвычайно широко распространены в природе и легко

адаптируются в любых условиях, давая устойчивые споры. С другой сто-

роны, для нормально развивающихся в анаэробных условиях вегетативных

форм некоторых видов Clostridium кислород летален, однако споры этих

бактерий устойчивы к действию кислорода. Другие бактерии, вегетатив-

ные формы которых быстро погибают при 45^оС, образуют споры, выдер-

живающие кипячение в воде в течение нескольких часов. Отсюда следует,

что если мы хотим убить микроорганизмы нагреванием (тепловой стери-

лизацией), то для уничтожения спорообразующих бактерий необходимы

более высокие температуры - обычно кипячение под давлением в автокла-

вах при температурах выше 120^оС.

Дрожжи. Дрожжи составляют один из важных классов отдела гри-

бов. Грибы, как и бактерии, широко распространены в природе, хотя

обычно они живут в почве в относительно менее влажных по сравнению с

бактериями регионов. Грибы не способны усваивать энергию солнечного

света и, как правило, существуют изолировано в виде отдельных однокле-

точных организмов. Несмотря на то, что для большинства грибов харак-

терна довольно сложная морфология, дрожжи легко отличить по внешнему

виду - обычно они представляют собой отдельные небольшие клетки дли-

ной от 5 до 30 мкм и шириной от 1 до 5 мкм.

Дрожжи могут размножаться бесполым и половым путями. При поч-

ковании на родительской клетке сначала начинает расти небольшой отрос-

ток. Отделение дочерней клетки от родительской происходит не сразу,

благодаря чему становится возможным образование колоний дрожжевых

клеток, состоящих из нескольких поколений. В результате деления из од-

ной клетки образуются две новые. Половое размножение дрожжевых кле-

ток также возможно и осуществляется путем слияния двух гаплоидных

(имеющих одинарный набор хромосом) клеток, которое сопровождается

разрушением пограничной стенки и образованием диплоидной (имеющей

два набора хромосом) зиготы. Ядро в диплоидной клетке может претерпе-

вать одно или несколько делений, в результате которых образуются аскос-

поры; каждая из аскоспор в конце концов становится индивидуальной но-

вой гаплоидной клеткой, которая может затем размножаться посредством

почкования, деления или половым путем. Аскоспоры, представляющие со-

бой в данном случае закономерный результат размножения этих организ-

мов, не следует путать с рассмотренными выше эндоспорами, образующи-

мися в качестве защитной реакции на окружающую среду.

В производстве спиртных напитков дрожжи представляют собой

единственно промышленно используемый тип микроорганизмов. Помимо

производства пива и вина анаэробные дрожжи применяются для получе-

ния в промышленных масштабах технического этилового спирта и глице-

рина. Как известно, дрожжи также широко используются при выпечке хле-

ба и как белково-витаминные добавки к кормам для сельскохозяйственных

животных.

Плесени. Плесени - это высшие грибы, обладающие вегетативной

структурой, называемой мицелием. Мицелий представляет собой сильно

разветвленную систему трубок. Внутри этих трубок находится подвижная

цитоплазма, содержащая множество ядер. Мицелий может состоять из не-

скольких типов родственных клеток, длинные, тонкие нити клеток мице-

лия называют гифами. В некоторых случаях мицелий может быть очень

плотным. Учитывая необходимость подачи кислорода для нормальной

жизнедеятельности плесеней, это может вызвать большие затруднения в их

культивировании, поскольку мицелий может оказывать существенное со-

противление массопередаче при перемешивании.

Как и дрожжи, плесени не содержат хлорофилла и обычно не спо-

собны передвигаться. Как правило, плесени размножаются спорами поло-

вым или бесполовым путем. Свойства спор играют большую роль в клас-

сификации грибов.

С промышленной точке зрения наиболее важны плесени Aspergillus

и Penicillium. К числу основных продуктов метаболизма этих микроорга-

низмов относятся антибиотики (продукты жизнедеятельности плесеней,

убивающие некоторые микроорганизмы или подавляющие их рост), орга-

нические кислоты и биологические катализаторы - ферменты.

Один из штаммов Aspergillus niger в нормальных условиях продуци-

рует щавелевую кислоту, но если питательная среда обеднена фосфатами и

ионами некоторых металлов, например меди, железа и магния, то преиму-

щественно образуется лимонная кислота. Эта особенность лежит в основе

промышленного биохимического способа производства лимонной кисло-

ты. Таким образом, плесень A. niger может служить интересным примером

различия в подходах к разработке и оптимизации биохимических и био-

технологических процессов. В биологических системах путем сравнитель-

но небольшого изменения состава питательной среды может быть достиг-

нута значительно большая селективность метаболических процессов.

Еще одно фундаментальное отличие между микробиологическими и

небиологическими процессами можно проиллюстрировать на примере пе-

нициллина. Основные успехи в производстве этого антибиотика были дос-

тигнуты благодаря получению высокопродуктивных мутантов исходного

штамма Penicillium путем ультрафиолетового облучения его спор. Мута-

ции могут вызываться различными агентами и часто приводят к увеличе-

нию выхода нужного продукта метаболизма на несколько порядков. Еще

большее значение имеют мутации в генетической инженерии.

Известна также актиномицеты - группа микроорганизмов, которые

обладают свойствами как грибов, так и бактерий. Эти микроорганизмы

широко применяются в производстве антибиотиков. Хотя формально ак-

тиномицеты относятся к бактериям, по способности образовывать длин-

ные, чрезвычайно разветвленные гифы они напоминают грибы. Процессы

производства антибиотиков с использованием актиномицетов и плесеней

также имеют много общего. Актиномицеты сближает с бактериями их

восприимчивость к заражению одними и теми же вирусами и устойчивость

к вирусным заболеваниям.

Водоросли и простейшие. Эти относительно большие эукариоты об-

ладают сложным и высокоупорядоченным строением. Эвгленовые водо-

росли, например, передвигаются при помощи жгутиков, у них нет жесткой

оболочки, но имеется чувствительное к свету пятно, называемое глазком.

Последнее реагирует на свет и заставляет клетки двигаться к более осве-

щенному месту, что немаловажно для жизнедеятельности этой водоросли,

усваивающей, как и большинство других водорослей, световую энергию.

Многие диатомовые (другой вид водорослей) имеют наружные двух-

створчатые оболочки (панцири) разнообразной формы, состоящие в ос-

новном из кремнезема. Эти панцири широко используются в промышлен-

ности в качестве фильтрующего материала.

Повышенный интерес к водорослям обусловлен их потенциальной

ценностью в качестве возможного продукта питания или в качестве добав-

ки к пищевым продуктам. В Японии, например, в настоящее время работа-

ет несколько промышленных установок, на которых культивируют водо-

росли именно для этих целей. Кроме того, в Азии в довольно широких

масштабах в пищу употребляют морские водоросли. Последние не являют-

ся микроорганизмами и построены из множества однотипных клеток. Как

и более простые сине-зеленые водоросли, водоросли-эукариоты выполня-

ют важную функцию в круговороте веществ на земле.

В известном смысле водоросли можно рассматривать как примитив-

ные растения, точно также простейших, не способных усваивать солнеч-

ную энергию, можно считать примитивными животными. Естественная

среда обитания, морфология и активность простейших изменяются в до-

вольно широких пределах. Некоторые трипаносомы, например, являются

переносчиками серьезных заболеваний, включая африканскую сонную бо-

лезнь, или трипаносомиаз. С другой стороны, простейшие Trichonympha

населяют кишечник термитов и помогают им переваривать древесину.

Амебы не обладают какой-либо определенной формой и постоянно меня-

ют свои внешние очертания, в то время как для солнечников (Heliozoa) ха-

рактерно наличие внутреннего скелета и определенной формы.

Хотя простейшие не используются в настоящее время в промышлен-

ном масштабе ни для производства клеточной биомассы, ни для синтеза

продуктов их жизнедеятельности, они наряду с микроорганизмами играют

большую роль в биологической очистке сточных вод. С точки зрения мик-

робиологии эти процессы, широко применяющиеся во всем мире в городах

и на больших промышленных предприятиях, поразительно сложны. Быто-

вые и промышленные сточные воды представляют собой сложную смесь, в

состав которой входят различные питательные вещества и самые разнооб-

разные микроорганизмы; поэтому для обработки стоков необходимо

большое количество протистов. Эти организмы конкурируют в потребле-

нии питательных веществ, уничтожают друг друга и взаимодействуют

многими другими путями, характерными для небольшой экологической

системы.

Растительные и животные клетки. Многие вакцины и другие био-

химикаты продуцируются в окружающую среду при культивировании жи-

вотных клеток в реакторах, т.е. при выращивании клеток вне организма

животного. Совершенствование методов выращивания тканевых клеток и

разрабатываемые в последние годы методы трансформации животных и

растительных клеток открывают новые многообещающие пути для их зна-

чительно более широкого промышленного использования. Как выяснилось

в последнее десятилетие тканевые клетки можно выращивать почти в та-

ких же реакторах, какие используются для культивирования микроорга-

низмов, получивших название биореакторы.

Если часть ткани животного, обычно получаемую путем разрушения

межклеточных связей, поместить в соответствующую питательную среду,

то большинство типов клеток погибнут в течение нескольких дней, недель

или месяцев. Другие клетки в этих условиях, напротив, будут размножать-

ся и дадут так называемую первичную линию клеток. В ряде случаев эти

клетки удается пассивировать, т.е. перенести в свежую питательную сре-

ду, где снова происходит размножение клеток, приводящее ко вторичной

линии клеток. Некоторые вторичные клетки, выдерживающие, по всей ве-

роятности, неограниченное число пассажей, называют стабильной, перма-

нентной или установившейся линией клеток.

Многие линии клеток получены из эпителиальных тканей, например

кожного покрова, соединительных тканей, крови и лимфы ряда животных,

в том числе человека, хомяка, обезьяны и мыши. Как показали исследова-

ния, культуры некоторых тканевых клеток можно выращивать в виде сус-

пензий в жидкой среде, но для роста большинства линий клеток необходи-

мо их закрепление на твердой поверхности, что налагает серьезные огра-

ничения на масштабы промышленного производства вакцин и других био-

логических продуктов на основе культур животных клеток.

Культуры некоторых клеток растительного происхождения можно

выращивать также в виде каллюса (нароста недифференцированной ткани

растения на твердой питательной среде) или в виде суспензии агрегиро-

ванных клеток. Поскольку растения продуцируют множество практически

важных физиологически активных соединений, в том числе душистые ве-

щества, красители, лекарственные средства, опиаты, использование куль-

тур растительных клеток является весьма перспективной областью био-

технологии. Как показывают исследования, культуры растительных клеток

могут служить весьма специфическими биокатализаторами многих хими-

ческих реакций, а также являются весьма полезными для сельского хозяй-

ства, например для регенерации целого растения.

Следует отметить, что можно культивировать также тканевые клетки

и некоторых насекомых и других беспозвоночных, однако подобное куль-

тивирование еще достаточно ограничено.

§ 12.2. Химические основы жизни

Любой организм должен синтезировать все химические соединения,

необходимые для жизнедеятельности и размножения клеток, поэтому,

прежде чем приступать к изложению дальнейших основ биотехнологии,

необходимо ознакомится с реагентами, продуктами реакций, катализато-

рами и химическими регуляторами, которые принимают участие в слож-

ной сети химических превращений, происходящих в клетке.

Химические соединения живых организмов - это преимущественно

высокомолекулярные соединения, преобладающие в клетке, а также соот-

ветствующие небольшие мономерные молекулы, из которых построены

эти полимеры. Полимерные соединения клетки делятся на четыре основ-

ных класса: жиры и липиды, полисахариды (целлюлоза, крахмал и т.д.),

носители информации - полидезоксирибонуклеиновые и полирибонук-

леиновые кислоты (ДНК и РНК соответственно), а также белки. Физико-

химические свойства этих соединений важны как для понимания функций

клетки, так и для рационального проектирования технологических процес-

сов с участием живых клеток.

В зависимости от строения различные биологические полимеры це-

лесообразно подразделять, также как и химические, на гомополимеры и

сополимеры. Биологические гомополимеры построены из мономерных

единиц одного типа. В этом случае полимеры, содержащие мономерные

звенья одного типа, отличаются друг от друга прежде всего молекулярной

массой и степенью разветвленности полимерных цепей.

Основная функция гомополимеров в клетке заключается в создании

структурных элементов, обладающих механической прочностью, химиче-

ской инертностью и достаточной проницаемостью. Кроме того, в виде го-

мополимеров в клетках часто хранятся запасы питательных веществ, на-

пример, глюкоза может храниться в виде биополимера гликогена, своеоб-

разного резервного полисахарида клетки, обеспечивающего снижение мо-

лярной концентрации раствора в 10 000 раз или даже в большей степени.

Полимер является удобной формой хранения питательных веществ в тех

случаях, когда клетке необходимо создать их избыток без существенного

изменения внутриклеточного осмотического давления, которое может ра-

зорвать клетку.

Биологические сополимеры построены из нескольких различных мо-

номерных звеньев, число которых может достигать 20. Каждый из таких

полимеров имеет определенную молекулярную массу и характерный мо-

номерный состав. Более того, остатки мономеров соединены в строго оп-

ределенной, генетически запрограммированной последовательности.

Биологические соединения, построенные из таких элементов, как уг-

лерод, кислород, азот, водород, фосфор, сера, отличаются не только боль-

шим разнообразием, но и высокой устойчивостью. Как правило, они очень

медленно взаимодействуют друг с другом, с водой или другими компонен-

тами клетки. Химические реакции с участием таких соединений ускоряют-

ся биологическими катализаторами - особыми белками, называемыми

ферментами. Таким образом, клетка может регулировать как природу, так

и скорость происходящих в ней химических реакций путем изменения

концентраций ферментов.

Фосфор и сера входят в состав органического вещества всех живых

существ, хотя и в относительно небольших количествах. В клетках также

всегда присутствуют ионы натрия, калия, магния, кальция и хлора, а также

следовые количества марганца, железа, кобальта, меди и цинка, которые

необходимы для активации определенных ферментов. Для нормальной

жизнедеятельности некоторых организмов требуются также ничтожные

количества микроэлементов: бора, алюминия, ванадия, молибдена, йода,

кремния, фтора и олова. В общем случае для нормальной жизнедеятельно-

сти организмов необходимы по меньшей мере 24 различных химических

элемента.

Клетки живут в водной среде. Вода обладает целым рядом весьма

необычных свойств (высокой теплотой испарения, высокой диэлектриче-

ской проницаемостью, способностью образовывать при диссоциации ки-

слоты и основания, склонностью к образованию водородных связей), бла-

годаря которым она является чрезвычайно важным реагентом, участвую-

щим во многих катализируемых ферментами реакций. Кроме того, свойст-

ва, проявляемые биополимерами, в значительной степени зависят от

свойств того растворителя, в среде которого они находятся. На этом прин-

ципе основаны, в частности, многие процессы разделения как биополиме-

ров, так и мономеров.

Липиды. Липидами называют биоорганические соединения, раство-

римые в неполярных растворителях (бензоле, хлороформе, эфире и т.д.) и

практически нерастворимых в воде. Из такого определения следует, что

липиды могут иметь различное химическое строение и выполнять различ-

ные биологические функции. Их относительно низкая растворимость в

водных средах является причиной того, что липиды встречаются в основ-

ном в неводных биологических фазах, в особенности в клеточных мембра-

нах и мембранах органоидов. К липидам относятся прежде всего жиры,

представляющие собой резервы биологического топлива, а также важные

промежуточные продукты биологических процессов. Липиды также вхо-

дят в состав более сложных соединений, например липопротеинов и липо-

сахаридов, которые опять-таки располагаются в основном в биологических

мембранах клеток и во внешних оболочках некоторых вирусов.

Жирные кислоты и родственные липиды. В состав липидов входят

насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты. Насыщенные жирные ки-

слоты представляют собой относительно простые вещества общей форму-

лы CH₃(CH₂)_nCOOH. В процессе биосинтеза углеводородная цепь жирных

кислот строится из идентичных мономерных звеньев с двумя атомами уг-

лерода, поэтому жирные кислоты можно рассматривать как не несущие

информации короткие биополимеры с концевой карбоксильной группой. В

биологических системах n обычно принимает четные значения от 12 до 20.

Ненасыщенные жирные кислоты образуются при замене насы-

щенной (-С-С-) связи на двойную связь (-С=С-). Например, олеиновая

кислота является ненасыщенным аналогом стеариновой кислоты ( n=16 ):

СH₃(CH₂)₁₆COOH - стеариновая кислота,

CH₃(CH₂)₇CH=CH(CH₂)₇COOH - олеиновая кислота.

Углеводородная цепь придает этим соединениям гидрофобные свой-

ства, но карбоксильная группа в высшей степени гидрофильна, поэтому,

когда жирная кислота находится на границе раздела фаз воздух - вода, не-

большое ее количество образует ориентированный мономолекулярный

слой (монослой), в котором полярные карбоксильные группы связаны во-

дой, а углеводородные цепи направлены в сторону воздушной фазы.

Это явление лежит в основе механизма действия моющих средств,

представляющих собой в основном соли жирных кислот. Образование

мыльного монослоя значительно снижает поверхностное натяжение на

границе воздух - вода, что резко повышает способность раствора смачи-

вать и очищать загрязненные места.

Такого рода гидрофобно-гидрофильные молекулы липидов облада-

ют очень невысокой растворимостью; повышение концентраций раствора

выше того предела, который необходим для создания монослоя, приводит

к агрегированию избытка растворенного вещества в виде сравнительно

больших упорядоченных структур, называемых мицеллами. Движущей си-

лой этого процесса является уменьшение общей свободной энергии систе-

мы в процессе формирования мицелл из раствора. Обычно структура ми-

целл диктуется увеличением числа энергетически выгодных контактов

между группировками одинаковой степени гидрофобности (гидрофильно-

сти) и соответствующим уменьшением числа взаимодействия между гид-

рофильными и гидрофобными группировками.

Известно, что аналогичные взаимодействия между гидрофобными и

гидрофильными участками одного биополимера является причиной суще-

ствования полимерной цепи в одной предпочтительной конформации.

Жиры, выполняющие важную функцию внутриклеточного топлива,

представляют собой сложные эфиры, образующиеся при конденсации

жирных кислот с глицерином.

В щелочной среде при нагревании жиры и другие липиды гидроли-

зуются до глицерина и солей жирных кислот (мыла) - именно таким путем

мыла были впервые получены из животных жиров. Подобная реакция, об-

ратная приведенной выше схеме синтеза жиров, в пищеварительном тракте

животных осуществляется при температуре тела и катализируется особы-

ми ферментами, способными расщеплять жиры. Микроорганизмы также

продуцируют подобные ферменты, называемые липазами, роль которых

заключается в гидролизе некоторых жиров на более мелкие фрагменты,

способные затем проникать в клетку через клеточные мембраны.

Описанные выше липиды носят название омыляемых липидов, так

как они превращаются в щелочном растворе, как это было только что опи-

сано, в мыла. Омыляемые липиды в свою очередь делятся на простые и

сложные.

К простым липидам относятся воска, жиры и масла, т.е. те липиды, в

результате гидролиза которых образуются два вида химических соедине-

ний: спирты и жирные кислоты. К сложным липидам прежде всего отно-

сятся фосфолипиды, сфинголипиды и гликолипиды, при гидролизе кото-

рых образуются несколько классов химических соединений.

Другой класс липидов не гидролизуется ни щелочью, ни кислотой и

поэтому носит название класса неомыляемых липидов. К этому классу от-

носятся многие жирорастворимые витамины, например витамин А, сте-

роиды и другие схожие по строению липиды.

Воска - сложные эфиры высших жирных кислот и высших одно-

атомных спиртов. Они образуют защитную смазку на коже человека и жи-

вотных и предохраняют растения от высыхания. Примером может служить

цетиловый эфир пальмитиновой кислоты - главный компонент спермаце-

та, воскоподобного вещества, заключенного в особом мешке в голове ка-

шалота и широко применяющегося в качестве основы для наиболее доро-

гих кремов и мазей. Другой эфир пальмитиновой кислоты - мирицилпаль-

митат - содержится в пчелином воске.

Жиры и масла (нейтральные жиры, глицеролипиды, триацилглице-

рины) - глицериновые эфиры высших жирных кислот. В организме чело-

века и животных нейтральные жиры играют роль структурного компонен-

та клеток или роль «жирового депо». Их энергетическая ценность пример-

но в 2 раза больше, чем у белков и углеводов. Известно, что избыточное

содержание триацилглицеринов в крови наряду с содержанием холестери-

на - факторы, указывающие на определенную предрасположенность чело-

века к атеросклерозу.

В природе, за редкими исключениями, встречаются только полные

эфиры глицерина, т.е. триацилглицерины. Твердые триацилглицерины на-

зывают жирами, жидкие - маслами. Простые триацилглицерины содержат

остатки одинаковых кислот, смешанные - различных. В триацилглицери-

нах животного происхождения преобладают остатки насыщенных жирных

кислот. Эти соединения, как правило, твердые вещества. Напротив, жидкие

растительные масла содержат в основном остатки ненасыщенных жирных

кислот.

Большинство жирных кислот, входящих в пищевые жиры, имеют

цис-конфигурацию, причем линолевая, линоленовая и арахидоновая кисло-

ты считаются незаменимыми жирными кислотами, так как они не синтези-

руются в организме человека и многих животных и должны поступать из

вне, обычно с приемом пищи. Природные жиры и масла представляют со-

бой смеси смешанных триацилглицеридов. Их количественной характери-

стикой служит процентное содержание отдельных кислот, а также йодное

число - мера ненасыщенности жиров. Йодное число соответствует количе-

ству граммов йода, которое может присоединиться к 100 г вещества. Со-

став природных жиров и масел и их йодные числа варьируют в достаточно

широких пределах. Например, в сливочном масле и молоке содержится

значительное количество жирных кислот с короткой цепью, имеющие вы-

сокую степень усвояемости организмом человека. В льняном масле преоб-

ладает линолевая (62%), а в оливковом масле - олеиновая (84%) кислоты.

Триацилглицерины, выделенные из разных органов одного и того же

организма, могут значительно отличаться по своему жирно-кислотному

составу. В частности, в подкожной жировой клетчатке больше насыщен-

ных, а в жирах печени - ненасыщенных жирных кислот. Жирно-кислотный

состав различных жиров и масел обычно определяют с помощью газовых

или газожидкостных анализаторов после переэтерификации жиров и полу-

чении летучих метиловых эфиров жирных кислот.

Фосфолипиды - это липиды, отщепляющие фосфорную кислоту при

гидролизе. К ним относятся глицерофосфолипиды и некоторые сфинголи-

пиды. Фосфолипиды характеризуются достаточно высоким содержанием

ненасыщенных жирных кислот.

Глицерофосфолипиды - производные глицеро-3-фосфата, главный

липидный компонент клеточных мембран. Они сопутствуют жирам в пище

и служат источником фосфорной кислоты, необходимой для жизни чело-

века. Глицеро-3-фосфат содержит ассиметрический атом углерода и по-

этому может существовать в виде двух стереоизомеров. Природные глице-

рофосфолипиды имеют одинаковую конфигурацию и являются производ-

ными L-глицеро-3-фосфата, образующегося в процессе метаболизма из

фосфата дигидроксиацетона при участии биокатализатора - фермента гли-

церофосфатдегидрогеназы.

Среди глицерофосфатидов наиболее распространены фосфатиды -

сложные производные L-фосфатидовых кислот. L-фосфатидовые кислоты

представляют собой этерифицированный жирными кислотами по спирто-

вым гидроксильным группам L-глицеро-3-фосфат.

Как правило, в природных фосфатидах в положении 1 глицериновой

цепи находится остаток насыщенной, в положении 2 - ненасыщенной ки-

слот, а один из гидроксилов фосфорной кислоты этерифицирован много-

атомным спиртом или аминоспиртом. В условиях организма (рН = 7,4) ос-

тавшийся свободным гидроксил фосфорной кислоты и другие ионогенные

группировки в фосфатидах ионизированы.

Менее распространены по сравнению со сложноэфирными глицеро-

фосфолипидами липиды с простой эфирной связью, в частности плазмало-

гены. Они содержат остаток винилового спирта, связанного простой эфир-

ной связью с С-1 атомом L-глицеро-3-фосфата, как, например, плазмалоге-

ны с фрагментом этаноламина. Плазмалогены составляют до 10% от обще-

го количества липидов центральной нервной системы.

Сфинголипиды - структурные аналоги глицерофосфолипидов, где

вместо глицерина используется сфингозин - ненасыщенный длинноцепо-

чечный двухатомный аминоспирт. Двойная связь в последнем имеет

транс-конфигурацию, а ассимитрические атомы С-2 и С-3

- D-

конфигурацию. Примером сфинголипидов служат церамиды - N-ацильные

производные сфингозина, аминогруппа в которых ацилирована жирной

кислотой.

Важную группу сфинголипидов составляют сфингомиелины, впер-

вые обнаруженные в нервной ткани. В сфингомиелинах гидроксил у С-1

церамида ацилирован фосфохолиновой группировкой, поэтому их также

можно отнести и к фосфолипидам.

Гликолипиды включают углеводные остатки, чаще D-галактозу, и не

содержат фосфорной кислоты и связанных с ней азотистых оснований. Ти-

пичные представители гликолипидов - цереброзиды и ганглиозиды - сфин-

госодержащие липиды (их можно поэтому считать и сфинголипидами). В

цереброзидах, в заметных количествах входящих в состав оболочек нерв-

ных клеток, остаток церамида связан с D-галактозой или D-глюкозой β-

гликозидной связью.

Ганглиозиды - богатые углеводами сложные липиды, впервые выде-

ленные из серого вещества мозга. В структурном отношении ганглиозиды

сходны с цереброзидами, отличаясь тем, что вместо моносахарида они со-

держат сложный олигосахарид.

Характерная особенность сложных липидов, как уже отмечалось ра-

нее, их бифильность, обусловленная наличием неполярных гидрофобных

и высокополярных ионизированных гидрофильных группировок. В фосфа-

тидилхолинах, например, углеводородные радикалы жирных кислот обра-

зуют два неполярных

«хвоста», а карбоксильная, фосфатная и холиновая

группы - полярную часть.

Гликолипиды включают углеводные остатки, чаще D-галактозу, и не

содержат фосфорную кислоту и связанных с ней азотистых оснований. Ти-

пичные представители гликолипидов - цереброзиды и ганглиозиды явля-

ются сфингосодержащими липидами (их можно поэтому считать и сфин-

голипидами). В цереброзидах, в заметных количествах входящих в состав

оболочек нервных клеток, остаток церамида связан с D-галактозой или D-

глюкозой β-гликозидной связью.

Сложные липиды, впервые выделены из серого вещества мозга. В

структурном отношении ганглиозиды сходны с цереброзидами.

На границе раздела фаз такие соединения действуют как превосход-

ные эмульгаторы. В составе биомембран, ограничивающих живые клетки и

их внутренние органеллы, липидные компоненты обеспечивают высокое

электрическое сопротивление мембраны, ее непроницаемость для ионов и

полярных молекул и проницаемость для неполярных веществ. В частности,

большинство анестезирующих препаратов отличается хорошей раствори-

мостью в липидах, что позволят им проникать через мембрану нервных

клеток.

В состав клеточных мембран входят в основном белки и липиды,

среди которых преобладают фосфолипиды, составляющие 40…90% от об-

щего количества липидов в мембране. Строение биомембран интенсивно

изучается в настоящее время. В одной из известных моделей клеточная

мембрана рассматривается как липидный бислой. В таком бислое углево-

дородные хвосты липидов за счет гидрофобных взаимодействий удержи-

ваются друг возле друга в вытянутом состоянии во внутренней полости,

образуя двойной углеводородный слой. Полярные группы липидов распо-

лагаются на внешней поверхности бислоя. Дополнением к рассмотренной

модели является жидкостно-мозаичная модель биомембраны, предпола-

гающая, что мембранные белки встроены в жидкую липидную бислойную

основу таким образом, что их гидрофобные участки погружены во внут-

реннюю полость мембраны, а изолированные остатки аминокислот нахо-

дятся на ее поверхности.

К неомыляемым липидам относятся органические соединения, не

гидролизующиеся в кислых или щелочных растворах, такие как жирорас-

творимые витамины, стероиды и терпены. Учитывая тот факт, что тер-

пены подробно рассматриваются в курсе органической химии, мы кратко

остановимся на отдельных характеристиках жирорастворимых витаминов

и стероидов.

Как известно, витаминами называют органические вещества, не-

большие количества которых необходимы для нормальной жизнедеятель-

ности клеток. Незаменимыми называют те органические соединения, ко-

торые сам организм не может синтезировать. При их отсутствии в питании

клетка погибает. Понятно, что водорастворимые витамины, например ви-

тамин С (аскорбиновая кислота), не являются липидами. В то же время ви-

тамины А, Е, К и D не растворяются в воде, но растворимы в органических

растворителях, поэтому их обычно формально относят к липидам.

Интерес к микроорганизмам и пищевым продуктам как источникам

витаминов обусловлен тем обстоятельством, что к числу незаменимых

(или считающихся незаменимыми) для детей и взрослых относятся водо-

растворимые витамины: тиамин, рибофлавин, никотиновая кислота, панто-

теновая кислота, биотин, фолиевая кислота, холин, а также липидные ви-

тамины А, D, Е, и К.

Многие из этих соединений могут синтезироваться различными

микроорганизмами. Дрожжи, например, продуцируют эргостерол - пред-

шественник витамина D₂ (кальциферола), превращающийся в него под

действием солнечного света. Жирорастворимый витамин К синтезируется

микроорганизмами в пищеварительном тракте животных и человека. Этот

пример является прекрасной иллюстрацией взаимной помощи, оказывае-

мой одним видом организмов другому (так называемого комменсализма).

Известно, что некоторые водорастворимые витамины необходимы для пе-

ревода ряда ферментов в активную форму.

Витамины группы А считаются факторами роста. Их недостаток в

организме приводит к похуданию, высыханию роговицы глаза (куриной

слепоте), понижает сопротивляемость организма к различным инфекциям.

В отличие от витаминов группы А, непосредственно относящихся к

терпенам, в структуре витаминов групп Е и К присутствуют еще и арома-

тические фрагменты.

Витамины группы Е, так называемые токоферолы, содержатся в рас-

тительных маслах. Их функции пока не вполне ясны. По-видимому, они

служат антиоксидантами по отношению к ненасыщенным липидам, инги-

бируя процесс пероксидазного окисления последних.

Среди витаминов этой группы наиболее важным представителем яв-

ляется витамин Е или α-токоферол. Он представляет собой производное

двухатомного фенола гидрохинона с изопреновой боковой цепью, связан-

ной одновременно с ароматическим кислородом одной из гидроксильных

групп и соседним атомом углерода бензольного кольца. Остальные атомы

водорода бензольного кольца замещены на метильные группы. Антиокис-

232

лительная функция токоферолов определяется их способностью связывать

появляющиеся в клетках активные свободные радикалы (участники перок-

сидазного окисления липидов) в относительно устойчивые и поэтому не

способные к продолжению цепи феноксидные радикалы.

Витамины группы К необходимы для обеспечения нормальной свер-

тываемости крови (антигеморрагический фактор). Они являются произ-

водными 1,4-нафтохинона и содержат изопреноидную боковую цепь.

Существуют два семейства витаминов этой группы: филлохиноны -

витамины К₁, встречающиеся в растениях, и менахиноны - витамины К₂,

имеющиеся у животных и бактерий.

Филлохиноны отличаются от нонов лишь наличием одной двойной

связи в изопреновом фрагменте, ближайшем к кольцу. В лечебной практи-

ке применяется синтетический водорастворимый аналог витаминов группы

К - 2,3-дигидро-2-метил-1,4-нафтохинон-2-сульфонат натрия, викасол, по-

вышающий способность крови к свертыванию.

Для проявления биологической активности витаминов данной груп-

пы важно наличие метильного заместителя во 2-ом положении хинонового

кольца. Об этом свидетельствует высокая К-витаминная активность 2-

метил-1,4-нафтохинона - менадиона. Возможно, в организме менадион

претерпевает превращение в соединения с изопреноидной боковой цепью.

Близки по структуре витаминам групп Е и К - убихиноны (в перево-

де означает «вездесущие хиноны»). Они присутствуют в липидной фрак-

ции всех клеточных мембран и принимают участие в окислительно-

восстановительных процессах. Сопровождающихся переносом электронов.

В организме убихиноны могут легко и обратимо восстанавливаться в

гидрохиноны, что и определяет их участие в процессе переноса

электронов.

Простагландины. Простагландины относятся к одному из наиболее

интересных классов низкомолекулярных биорегуляторов. Они обладают

чрезвычайно высокой биологической активностью и широким спектром

действия. Единственным местом их образования первоначально считали

предстательную железу (простату) - отсюда они и получили свое название.

В настоящее время простагландины в малом количестве найдены в боль-

шинстве тканей млекопитающих.

С химической точки зрения, простагландины - функционально за-

мещенные жирные кислоты С₂₀, которые можно рассматривать как произ-

водные несуществующей в природе, но полученной синтетическим путем,

простановой кислоты. Скелет простановой кислоты в простагландинах

включает одну, две или три двойные связи, одну или две гидроксильные

группы, а также может содержать карбонильную группу.

Стабильные простагландины относятся к типам Е и F. Предшест-

венником большинства природных простагландинов является арахидоно-

вая кислота. Все простагландины относятся к сильнодействующим биоло-

гически активным веществам. Они расширяют кровеносные сосуды, инги-

бируют свертывание крови и выделение желудочного сока, стимулируют

работу кишечника, легких и бронхов, активируют синтез гликогена в пече-

ни. Отмечается их явное влияние на процессы нервного возбуждения, по-

ловой цикл у особей женского пола. Так как простагландины вызывают

сокращение матки, они могут быть использованы для стимулирования ро-

довой деятельности или предотвращения беременности.

Стероиды. Стероиды широко распространены в природе и выпол-

няют в организме разнообразные функции. К настоящему времени извест-

но около 20 000 стероидов, более 100 из них применяется в медицине. Сте-

роиды имеют циклическое строение.

Характерная особенность большинства природных стероидов - на-

личие кислородсодержащего заместителя у С-3, «ангулярных» метильных

групп С-18 и С-19, а также алифатического заместителя R у С-17. По ве-

личине углеродной цепи этого заместителя стероиды делятся на соответст-

вующие группы.

Стерины. Как правило, клетки очень богаты стеринами. В основе

структуры стеринов лежит скелет углеводорода холстана, алифатический

радикал R у С-17 которого включает 8 атомов углерода.

В качестве обязательного заместителя стерины содержат гидро-

ксильную группу при С-3, т.е. являются вторичными спиртами, поэтому в

их названии часто присутствует окончание - ол.

Примерами служат встречающиеся в животных клетках холестанол,

относящийся к 5α-стероидам, холестерин, а также образующийся из холе-

стерина в кишечнике и присутствующий поэтому в фекалиях копростанол

(5β-стероид). Гидроксильная группа во всех трех стероидах имеет β-

конфигурацию.

Стерины - предшественники желчных кислот и стероидных гормо-

нов в организме. Холестерин (холестерол, холистен-5-ол-3β) - наиболее

распространенный представитель стеринов. Он присутствует практически

во всех животных липидах, крови и желчи. Особенностью его структуры

является наличие двойной связи в кольце В между положениями С-5 и С-6.

Восстановление этой двойной связи приводит к двум стереоизомерам -

холестанолу и капростанолу.

Из общего количества холестерина, содержащегося в организме

(около 250 г при массе тела 60 - 70 кг), только около 20 % его поступает с

пищей. Основное количество холестерина синтезируется в организме из

уксусной кислоты. Нарушение обмена холестерина приводит к его отло-

жению на стенках артерий и, как следствие, уменьшению эластичности со-

судов (атеросклерозу). Кроме того, он накапливается в виде желчных

камней.

При облучении УФ-светом некоторых стеринов, например встре-

чающихся в бактериях и дрожжах эргостерина (эргостерола), как уже от-

мечалось ранее, происходит размыкание кольца В и образование продук-

тов, относящихся к витаминам группы D (антирахитические). Они содер-

жатся помимо микроорганизмов также в яичном желтке, молоке, сливоч-

ном масле и рыбьем жире.

Желчные кислоты. В печени стерины, в частности холестерин, пре-

вращаются в желчные кислоты. Алифатическая боковая цепь у С-17 в

желчных кислотах, производных углеводорода холана, состоит из

5 атомов углерода и включает концевую карбоксильную группу. Из желчи

человека выделены четыре кислоты, которые получили название холевых

кислот. Наиболее распространенная среди них - сама холевая кислота. Все

гидроксильные группы в ней имеют α-расположение, а кольца А и В - цис-

сочленение.

Другие холевые кислоты отличаются отсутствием одной или двух

гидроксильных групп у С-7 или С-12. Желчные кислоты находятся в орга-

низме обычно в виде амидов по карбоксильной группе (посредством пеп-

тидной связи к ним присоединены остатки аминокислот - глицина или

таурина). Натриевые и калиевые соли этих соединений обладают поверх-

ностно-активными свойствами. Эмульгируя жиры пищи, они улучшают их

усвоение, а также активируют фермент липазу, катализирующую гидролиз

жиров.

Стероидные гормоны. Гормонами обычно называют биологически

активные вещества, образующиеся в результате деятельности желез внут-

ренней секреции и принимающие участие в регуляции обмена веществ и

физиологических функций в организме.

Согласно химической классификации все известные гормоны можно

разделить на три основных группы:

Аминокислоты и продукты их трансформации. В эту группу вклю-

чают тироксин и родственные гормоны щитовидной железы, а также кате-

холамины - адреналин и норадреналин.

Пептиды и белковые гормоны. Они составляют наиболее представи-

тельную группу гормонов, в которую входят некоторые олигопептиды (ва-

зопрессин), простые белки (гормон роста - соматотропин, инсулин) и

сложные белки - гликопротеины, в частности пролактин стимулирующий

развитие молочных желез.

Производные стероидов. К ним относятся гормоны коркового веще-

ства надпочечников, или кортикостероиды, мужские и женские половые

гормоны.

Кортикостероиды (всего их около 40) образуются в корковом веще-

стве надпочечников и регулируют углеводный и солевой обмен. Их боко-

вая цепь у С-17 включает два атома углерода в виде гидроксикетонной

группировки. Примерами могут служить кортикостерон и преднизолон,

важной структурной характеристикой которых является система α, β-

ненасыщенного кетона в кольце А.

Кортикостерон действует как антагонист инсулина, повышая содер-

жание глюкозы в крови. Преднизолон - синтетический стероид, по дейст-

вию превосходящий свои природные аналоги. Оба этих соединения ис-

пользуются для лечения ревматизма, бронхиальной астмы, воспалитель-

ных процессов кожи.

Половые гормоны вырабатываются половыми органами и регули-

руют половые функции. К их числу относятся женские (гестагены и эксто-

гены) и мужские половые гормоны.

Гестагены, или гормоны беременности, образуются в желтом теле

яичников. Они, как и кортикостероиды, являются производными прегнана.

Наибольшей активностью среди них обладает прогестерон, боковая цепь

которого представляет собой ацетильную группу.

Эстрогены контролируют менструальный цикл у женщин. Наиболее

важны экстрон и экстрадиол, производные углеводорода экстрана. Отли-

чительный признак их структуры - наличие ароматического кольца А, а

также отсутствие боковой цепи у С-17 и метильной группы у С-10. Эстрон

- первый половой гормон, выделенный в чистом виде.

Широкий поиск синтетических эстрагенов привел к получению со-

единений, обладающих мощной экстрогенной активностью. К таким пре-

паратам относятся диэтилстильбэстрол и продукт его гидрирования синэ-

строл. Эти гормоны одно время широко использовались в сельском хозяй-

стве для увеличения привеса сельскохозяйственных животных, однако в

последнее время установлено, что они оказывают неблагоприятное дейст-

вие на здоровье человека при их попадании в организм вместе с едой. Тем

не менее, в лечебных дозах диэтилстильбэстрол применяется в аптечной

практике.

Андрогены стимулируют развитие вторичных мужских половых

признаков и выработку спермы. Главные мужские половые гормоны - ан-

дростерон и более активный тестостерон. В основе структуры лежит ске-

лет углеводорода андростана. Боковая цепь при С-17 у этих кортикосте-

роидов, как и у эстрогенов, отсутствует, но сохраняются обе

«ангуляр-

ные» метильные группы.

Сердечные гликозиды. Сердечные гликозиды - соединения стероид-

ного ряда, у которых стероидная часть молекулы играет роль агликона (в

этом случае его называют генином) некоторых моно- или олигосахаридов.

В небольших количествах они возбуждают сердечную деятельность и ис-

пользуются в кардиологии. В больших дозах они, напротив, являются сер-

дечными ядами. Выделяют эти соединения из различных видов наперстян-

ки (дигиталиса), ландыша, горицвета и других растений.

236

К генинам сердечных гликозидов растительного происхождения от-

носятся дигитоксигенин и строфантидин.

Особенность их структуры - наличие ненасыщенного γ-лактонного

кольца у С-17 и цис-сочленения колец С и D. Остатки углеводов (ими мо-

гут быть

2,6-дидезоксисахара) присоединяются за счет гидроксильной

группы у С-3 стероида. Связь между молекулой углерода и генином явля-

ется β-гликозидной. Примером сердечного гликозида служит ланатозид А,

выделенный из наперстянки.

Сахара и полисахариды (углеводы). Углеводами называют орга-

нические соединения общей формулы (СН₂О)_n, где n больше или равно 3.

Эти соединения, содержащиеся во всех животных, растительных и мик-

робных клетках, выполняют функции как конструктивных элементов, так и

резервных питательных веществ клетки. Формула (СН₂О)_n достаточно

точно отражает их состав и может использоваться в расчетах стехиометрии

происходящих в клетке реакций и высвобождающейся при этом энергии.

В биосфере вещества углеводной природы (включая крахмал и цел-

люлозу) по массе превосходят все другие соединения, вместе взятые. В

процессе фотосинтеза диоксид углерода под действием солнечного света

превращается в простые сахара, содержащие от 3 до 9 атомов углерода.

Образующиеся моносахариды затем полимеризуются, превращаясь в ве-

щества, удобные для построения конструкционных элементов клетки (цел-

люлоза) или для хранения резерва сахаров (крахмал). Описанные процессы

обеспечивают усвоение солнечной энергии и ее накопление в виде опреде-

ленных химических соединений для последующего использования. Под-

считано, что таким путем ежегодно трансформируется около 10¹⁸ ккал

энергии, что составляет около 0,1 % от всей падающей на землю солнеч-

ной энергии. Само собой разумеется, что большая часть этих ежегодно по-

ступающих 10¹⁸ ккал в конце концов вновь рассеиваются в результате по-

следующего окисления (в основном путем клеточного дыхания) до диок-

сида углерода.

D-глюкоза и другие моносахариды. Моносахариды или простые са-

хара, представляют собой простейшие углеводы. Моносахариды содержат

от трех до девяти атомов углерода и выполняют роль мономерных звеньев

при построении не несущих генетической информации биополимеров с

молекулярной массой до нескольких миллионов.

Глюкоза, как и другие простые сахара, представляет собой произ-

водное полигидроксиуглерода и в природных источниках всегда встреча-

ется в виде D(+)-глюкозы, т.е. в виде оптического изомера, вращающего

плоскость поляризации света вправо.

Хотя D-глюкоза по распространенности намного превосходит все

другие моносахариды, в живых организмах встречаются и иные простые

сахара, например D-маноза, D-фруктоза, D-галактоза и др. Все они имеют

альдегидную или кетонную группу.

В растворах D-глюкоза большей частью существует в виде цикличе-

ского соединения, так называемой пиранозы, образующейся в результате

взаимодействия альдегидной группы С-1 с гидроксилом при С-5. Симво-

лы α и β обозначают пространственное положение гидроксильной группы

при С-1.

Пятичленные сахара D-рибоза и дезоксирибоза являются основными

компонентами мономерных звеньев нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) и

других биологически важных соединений.

В результате конденсации двух молекул моносахаридов образуются

дисахариды. Помимо мальтозы, образующейся из двух молекул D-глю-

козы, относительно широко распространены следующие дисахариды: са-

хароза

(α-D-глюкоза-β-D-фруктоза)

и лактоза

(β-D-галактоза-β-D-

глюкоза).

Важнейший пищевой продукт, обыкновенный сахар, представляет

собой сахарозу, которая обнаружена во всех фотосинтезирующих растени-

ях. Сахароза легче других дисахаридов подвергается гидролизу; образую-

щаяся при этом смесь моносахаридов глюкозы и фруктозы называется ин-

вертным сахаром. Относительно редкий, но важный дисахарид лактоза на-

ходится только в молоке. Поскольку некоторые люди не переносят лактозу

и поэтому не могут употреблять в пищу молоко, в настоящее время разра-

батываются ферментативные процессы гидролиза молочного сахара.

При дальнейшей полимеризации глюкозы могут образоваться новые

1,4-гликозидные связи c образованием амилозы. Последняя представляет

собой неразветвленный полимер, построенный из остатков глюкозы с мо-

лекулярной массой от нескольких тысяч до полумиллиона дальтон.

Резервный источник питания крахмал обычно содержит около 20 %

амилозы, хотя эта величина может меняться в довольно широких пределах.

Гранулы крахмала достаточно велики, и с помощью микроскопа их легко

увидеть во многих растительных клетках.

Амилозная фракция крахмала, как известно, состоит из нераствори-

мых в воде линейных полимеров. Основная же часть крахмала представля-

ет собой амилопектин, также полимер D-глюкозы, отличающейся от ами-

лозы разветвленной структурой. В среднем на 25 остатков глюкозы прихо-

дится один центр разветвления. Разветвление цепи осуществляется за счет

образования гликозидной связи между гидроксилом при С-1 одной цепи и

гидроксилом при С-6 другой цепи.

Как правило, молекулы амилопектина больше молекул амилозы. Их

молекулярная масса составляет от 1 до 2 миллионов дальтон. Амилопектин

растворим в воде и, адсорбируя воду, может образовывать гели. Частич-

ный кислотный или ферментативный гидролиз крахмала приводит к обра-

зованию различных разветвленных фрагментов амилопектина, называемых

декстринами. Декстрины применяются в качестве загустителей и при изго-

товлении паст. При частичном гидролизе крахмала образуется также глю-

коза, мальтоза и другие относительно небольшие сахара. Таким путем из

кукурузного крахмала получают кукурузную патоку.

Целлюлоза является главным структурным элементом всех расти-

тельных клеток, от водорослей до деревьев, и самым распространенным

органическим соединением на земле. Типичными примерами материалов,

состоящих в основном из целлюлозы, могут служить хлопок и древесина.

Считается, что в биосфере ежегодно образуется 10¹¹ т целлюлозы. Каждая

молекула целлюлозы, как известно, представляет собой длинную нераз-

ветвленную цепь, построенную из остатков D-глюкозы и имеющую моле-

кулярную массу от 50 000 до 1 миллиона и более дальтон.

Хотя в целлюлозе остатки глюкозы связаны 1,4-гликозидными свя-

зями, эти связи отличаются от тех, которые участвуют в построении ами-

лозы. Это, на первый взгляд, небольшое различие имеет важные последст-

вия. Гликозидные связи типа α-1,4, характерные для крахмала, легко рас-

щепляются ферментами множества микроорганизмов, растений и живот-

ных. Напротив, лишь очень немногие живые существа способны гидроли-

зовать β-1,4- связи целлюлозы. Одним из обычных продуктов фермента-

тивного гидролиза целлюлозы является дисахарид целлобиоза, молекула

которого построена из двух остатков глюкозы, соединенных β-1,4-

гликозидной связью.

Устойчивость целлюлозы к расщеплению как в природных, так и в

лабораторных условиях обусловлена не столько особенностями β-1,4-

гликозидной связи, сколько кристаллической структурой целлюлозы и

особой

«упаковкой» ее молекул в биологических структурах. Для целлю-

лозы характерны внутрицепочечные водородные связи между гидроксиль-

ной группой при С-3 и атомом кислорода пиранозного кольца, а изредка

также и водородные связи между отдельными цепями, как это видно из

ниже приведенной схемы. Эти связи обуславливают формирование из от-

дельных цепей целлюлозы больших надмолекулярных структур, называе-

мых кристаллитами и легко различимых на электронных микрофото-

графиях.

Как известно, большая часть целлюлозы концентрируется в высоко

упорядоченных кристаллических областях, в которых цепи или фибриллы

целлюлозы упакованы настолько плотно, что в них с большим трудом

проникают даже молекулы воды. По этой причине целлюлоза не раство-

рима в воде. Менее упорядоченные участки этого биополимера, называе-

мые аморфными, обычно составляют около 15 % микроструктуры целлю-

лозы. Аморфные участки сравнительно легко гидролизуются, например,

кислотами. Кристаллические области поддаются деструкции гораздо труд-

нее.

Цепи молекул целлюлозы сгруппированы в микрофибрилы, между

которыми может находиться другой важный полисахарид - гемицеллюлоза.

В древесине и других материалах целлюлозной природы молекулы

гемицеллюлозы окружают кластеры микрофибрил. Эти сложные элементы

структуры в свою очередь окружены оболочкой из лигнина, упрочненной

многочисленными поперечными связями.

Материалы описанной химической структуры обычно называют лиг-

ноцеллюлозой. Растительная биомасса, продукция целлюлозно-бумажной

промышленности и ее отходы содержат значительные количества лигно-

целлюлозы, в которых относительное содержание целлюлозы, гемицеллю-

лозы и лигнина может меняться в широких пределах. Эти данные свиде-

тельствуют также о том, что растительная биомасса является самовозоб-

новляемым источником не только материалов на основе целлюлозы, но и

больших количествах другого потенциально ценного сырья.

Древесина твердых пород: целлюлоза - 40…55 %, гемицеллюлоза -

24…40 %, лигнин - 18…25 %; трава: целлюлоза - 25…40 %, гемицеллю-

лоза - 25…50 %, лигнин - 10…30 %; листва: целлюлоза - 15…20 %, геми-

целлюлоза - 80…85 %, лигнин - около 0 %; газетная бумага: целлюлоза -

40…55 %, гемицеллюлоза - 25…40 %, лигнин - 18…30 %; отходы бумаж-

ного производства: целлюлоза - 60…70 %, гемицеллюлоза - 10…20 %,

лигнин - 5 …10 %.

Состав гемицеллюлоз изменяется в довольно широких пределах в за-

висимости от природы растения. В общем случае гемицеллюлозы пред-

ставляют собой короткие разветвленные полимеры, построенные из остат-

ков пентоз (ксилозы и арабинозы) и некоторых гексоз (глюкозы, галактозы

и маннозы). Эти мономерные звенья, как правило содержащие большое

количество ацетильных групп, связаны 1,3-, 1,6- и 1,4-гликозидными свя-

зями.

Гемицеллюлоза довольно легко поддается гидролизу с образованием

растворимых соединений, например при обработке разбавленной (0,05…

3 %) серной кислотой или даже горячей водой. Значительно более устой-

чива к гидролизу лигниновая оболочка полисахаридных компонентов био-

массы.

Лигнин, как известно, представляет собой полифенол переменного

состава. Такая неупорядоченная комбинация различных деталей структуры

в высшей степени устойчива к действию химических и ферментативных

агентов.

Гликоген. В животных организмах гликоген является структурным и

функциональным аналогом растительного крахмала. По строению он по-

добен амилопектину, но имеет еще большее разветвление цепей. Условно

можно считать, что разветвленность молекулы гликогена вдвое больше,

чем амилопектина.

Сильное разветвление способствует выполнению гликогеном энерге-

тической функции, так как только при наличии большого числа концевых

остатков можно обеспечить быстрое отщепление нужного количества мо-

лекул глюкозы.

Молекулярная масса гликогена необычайно велика. Так, измерения

молекулярной массы у этого полисахарида, выделенного со всеми предос-

торожностями во избежание расщепления макромолекулы, показали, что

она равна 100 млн. дальтон. Такой размер макромолекул содействует вы-

полнению функции резервного углерода. В силу своих больших размеров

молекула гликогена не проходит через мембрану и остается внутри клетки.

Пока не возникнет потребности в энергии.

Гидролиз гликогена в кислой среде протекает очень легко с количе-

ственным выходом глюкозы. Это используется при анализе тканей на со-

держание гликогена: горячей щелочью из тканей извлекают гликоген, оса-

ждают его спиртом, гидролизуют в кислой среде и определяют количество

образовавшейся глюкозы.

Декстраны - это полисахариды бактериального происхождения. В

промышленности их получают микробиологическим путем при действии

микроорганизмов Leuconostos mesenteroides на раствор сахарозы.

Декстраны построены из α-D-глюкопиранозных остатков. Макромо-

лекулы их сильно разветвлены. Основным типом связи являются α(1 - 6)-,

а в местах разветвления, также, как и у амилопектина, α(1 - 4)-, α(1 - 3)-

и реже α(1 - 2)-гликозидные связи.

Декстраны широко используются в медицине как заменители плазмы

крови, а также в качестве основы для получения сефадексов - ионообмен-

ников и молекулярных сит, широко использующихся в биохимии и био-

технологии. Высокая молекулярная масса природных декстранов делает их

непригодными для приготовления инъекционных растворов вследствие

плохой растворимости. В связи с этим молекулярную массу снижают до

50-100 тысяч с помощью кислотного гидролиза или ультразвука и полу-

чают так называемый кровезаменитель «полиглюкин» или дезинтоксика-

ционный инъекционный раствор низкомолекулярного декстрана - препа-

рат «реополиглюкин». Благодаря антигенным свойствам декстрана, он ши-

роко применяется в качестве носителя ферментов, предназначенных для

инъекционной терапии.

Пектиновые полисахариды обычно содержатся в плодах и овощах.

Для них характерно желеобразование в присутствии органических кислот,

что используется в пищевой промышленности (получение желе, мармела-

дов и др.) В основе пектиновых веществ лежит пектовая кислота, являю-

щаяся полигалактуроновой кислотой. Остатки D-галактуроновой кислоты

связаны α(1 - 4)-гликозидными связями.

Некоторые пектиновые вещества оказывают противоязвенное дейст-

вие и являются основой ряда медицинских препаратов (например «план-

таглюцида» из подорожника).

Альгиновые кислоты и родственные полисахариды. Альгиновые ки-

слоты содержатся в бурых водорослях. Неразветвленная цепь этих расти-

тельных полисахаридов построена из соединенных (1-4)-связями остатков

D-маннуровой и L-галуроновой кислот (эти компоненты являются эпиме-

рами по С-5).

Альгиновые кислоты содержат большое количество свободных кар-

боксильных (-СООН) групп и используются как гелеобразователи в пище-

вой промышленности, а также как носители для многих ферментных пре-

паратов и живых микробных или других клеток.

Следует отметить, что морские водоросли служат вообще источни-

ком многих полисахаридов, широко применяющихся в различных отраслях

промышленности. Так, широко применяющийся в биохимических и мик-

робиологических исследованиях агар представляет собой гетерополисаха-

рид, содержащий большое количество сульфатных групп. Агар состоит из

смеси агарозы и агаропектина. В полисахаридной цепи агарозы чередуют-

ся остатки D-галактозы и L-лактозы. Еще одним полисахаридом, выделяе-

мым из водорослей является каррагинан, широко применяющийся в инже-

нерной энзимологии в качестве носителя для ферментов и клеток.

Нуклеиновые кислоты, нуклеиновые основания, нуклеозиды,

нуклеотиды. Нуклеиновые кислоты играют главную роль в передаче на-

следственных процессов (генетической информации) и управлении про-

цессом биосинтеза белка. История их изучения начинается с выделения

швейцарским химиком Ф. Мишером (1869) из ядер клеток вещества ки-

слотного характера, названного им нуклеином и получившего позже на-

звание нуклеиновой кислоты.

Нуклеиновые кислоты представляют собой высокомолекулярные со-

единения, молекулярная масса которых колеблется в пределах от 25 тыс.

до 1 млн. дальтон. Полимерные цепи нуклеиновых кислот построены из

мономерных единиц - нуклеотидов, в связи с чем нуклеиновые кислоты

получили название полинуклеотидов. Особенность нуклеотидов состоит в

том, что обычно «неделимое» мономерное звено в данном случае пред-

ставляет собой трехкомпонентное образование, включающее гетероцикли-

ческое основание, углеводный остаток и фосфатную группу.

Углеводными компонентами служат две пентозы: D-рибоза и 2-

дезокси-D-рибоза. Отсюда нуклеиновые кислоты делятся на рибонуклеи-

новые, содержащие рибозу (РНК), и дезоксирибонуклеиновые, содержа-

щие дезоксирибозу (ДНК).

Нуклеиновые основания. Так в химии нуклеиновых кислот называют

входящие в их состав гетероциклические соединения пиримидинового и

пуринового рядов. В качестве заместителей в гетероциклическом ядре они

содержат либо оксо (урацил, тимин), либо аминогруппу (аденин), либо од-

новременно обе эти группы (цитозин, гуанин). Для них принято сокращен-

ное трехбуквенное обозначение, составленное из первых букв их латин-

ского названия: урацил Ura, Тимин Thy, цитозин Cyt, аденин Ade, гуанин

Gua, но чаще всего их обозначают для простоты только по одной букве их

латинского названия.

Нуклеиновые кислоты различаются также входящими в них гетеро-

циклическими основаниями: урацил входит только в РНК, а тимин в ДНК.

Нуклеозиды. Рассмотренные выше гетероциклические основания об-

разуют N-гликозиды с D-рибозой или 2-дезокси-D-рибозой. Такие соеди-

нения называют нуклеозидами.

D-рибоза и 2-дезокси-D-рибоза входят в состав природных нуклео-

зидов в фуранозной форме (атомы углерода в них нумеруют цифрой со

штрихом). Гликозидная связь осуществляется между аномерным атомом

углерода С-1 рибозы (или дезоксирибозы) и атомом азота N-1 пиримиди-

нового и N-9 пуриновых оснований. Природные нуклеозиды всегда явля-

ются β-аномерами. В зависимости от природы углеводного остатка разли-

чают рибонуклеозиды и дезоксирибонуклеозиды. В состав некоторых РНК

входят часто необычные нуклеозиды. Например, рибонуклеозид - инозин,

который можно рассматривать как продукт дезаминирования аденозина, а

также псевдоуридин, который является не N-, а С-гликозидом, с чем связа-

на его высокая устойчивость к гидролизу.

Лекарственные средства нуклеиновой природы. При лечении неко-

торых опухолевых заболеваний в качестве лекарственного средства ис-

пользуют синтетические производные пиримидинового и пуринового ря-

дов, по строению похожие на естественные метаболиты (в данном случае -

на нуклеиновые основания), но не полностью им идентичные, т.е. являю-

щиеся антиметаболитами. Например, 5-фторурацил выступает в роли анта-

гониста урацила и тимина, 6-меркаптопурин - аденина. Конкурируя с ме-

таболитами, они нарушают на разных этапах синтез нуклеиновых кислот в

организме.

Нуклеозиды - антибиотики. В клетках в свободном состоянии со-

держатся некоторые нуклеозиды, не являющиеся компонентами нуклеино-

вых кислот. Эти нуклеозиды обладают антибиотической активностью и

приобретают все большее значение при лечении злокачественных образо-

ваний. Известны несколько десятков таких нуклеозидов, выделенных из

микроорганизмов, а также растительных и животных тканей.

Нуклеозиды-антибиотики отличаются от обычных нуклеозидов не-

которыми деталями строения либо углеводной части, либо гетероцикличе-

ского основания. Это позволяет им играть, по-видимому, роль антиметабо-

литов. Нуклеозидные антибиотики пиримидинового ряда часто подобны

цитидину, пуринового ряда - аденозину. Например, выделенный из гриб-

ницы Cordyceps militaries антибиотик кордеципин отличается от аденозина

только отсутствием в углеводном остатке 3′-ОН-группы. Сильными анти-

биотическими свойствами обладает пуромицин, выделенный из культу-

ральной жидкости Streptomyces alboniger.

Выраженным действием на вирус СПИДа, снижающим его размно-

жение, обладает азидотимидин. Некоторые микроорганизмы выделяют

вещества нуклеозидной природы, в состав которых вместо рибозы входит

ее эпимер по С-2 β-D-арабиноза. Весьма сильными антивирусными и ан-

тигрибковыми свойствами обладают арабинозил-цитозин и арабинозила-

денин.

Нуклеотиды. Нуклеотидами называются фосфаты нуклеозидов.

Фосфорная кислота обычно этерифицирует спиртовый гидроксил при С-5′

или С-3′ в остатке рибозы (рибонуклеотиды) или дезоксирибозы (дезокси-

рибонуклеозиды). Для связывания трех компонентов в молекуле нуклеоти-

да используется сложноэфирная и N-гликозидная связи. Нуклеотиды мож-

но рассматривать, с одной стороны, как эфиры нуклеозидов (фосфаты), с

другой - как кислоты (в связи с наличием остатка фосфорной кислоты.

При гидролизе соединяющих фосфатные группы фосфодиэфирных

связей высвобождается большое количество энергии. Например, при гид-

ролизе двух фосфодиэфирных связей в аденозин -5′-трифосфате (АТФ) ос-

вобождается около 125 кДж, энергии вполне достаточной для образования

пептидной связи в белках.

В настоящее время принято считать, что АТФ является основным ак-

кумулятором и переносчиком химической энергии во всех клетках без ис-

ключения. Эта энергия, как правило, затем расходуется для биосинтеза по-

лимеров, при транспорте веществ через мембраны и при движении клеток.

Дифосфаты и трифосфаты других нуклеотидов также могут выполнять

аналогичные функции в химии клетки, но основными переносчиками энер-

гии служат все же аденозинфосфаты. Эта способность АТФ быть аккуму-

лятором энергии послужила основанием для широкого его использования

в медицинской практике в качестве средства, существенно повышающего

иммунитет организма.

Аденозинмонофосфат также играет существенную роль в нормаль-

ном функционировании клеток, являясь не только структурным элементом

нуклеиновых кислот, но и коферментом для многих реакций, протекаю-

щих с участием ферментов. Такими же коферментами для многих других

ферментативных реакция являются флавинаденинуклеотид (FAD), нико-

тинамид-адениндинуклеотид (NAD) и кофермент А.

Структура и функции нуклеиновых кислот. В настоящее время из-

вестно, что ДНК содержится в основном в ядрах клеток, РНК преимущест-

венно находится в рибосомах, а также в плазме клеток. Как и полисахари-

ды, полинуклеотиды образуются путем конденсации мономеров с отщеп-

лением воды, причем, как в РНК, так и в ДНК, нуклеотиды соединены ме-

жду собой фосфатными связями, образующимися с участием гидроксиль-

ных групп при С-3′ и С-5′ рибозы или дезоксирибозы.

Известно, что клеточные молекулы ДНК невероятно велики: вся на-

следственная информация прокариот хранится в одной молекуле ДНК с

молекулярной массой порядка 2⋅10⁹. В эукариотах ядро может содержать

несколько больших молекул ДНК. Отрицательные заряды ДНК нейтрали-

зуются двузарядными катионами (в прокариотах) или основными амино-

кислотами (в эукариотах).

Следует подчеркнуть, что последовательность нуклеотидов имеет

направление или полярность, обусловленную тем обстоятельством, что на

одном конце цепи находится свободная гидроксильная группа при С-5’, а

на другом - гидроксил при С-3′.

В 1953 году американским биохимиком Джеймсом Уотсоном и анг-

лийским биофизиком Фрэнсисом Криком было высказано, что молекула

ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, образующих двойную

спираль. Имеющий форму правильной спирали каркас молекул построен

из остатков сахаров и фосфатных групп. Внутри двойной спирали распо-

ложены пуриновые и пиримидиновые основания. Именно комбинация та-

ких оснований в полинуклеотидной цепи содержит в себе всю генетиче-

скую информацию, в частности данные о структуре синтезируемых рибо-

нуклеиновых кислот и белков.

Азотистое основание одной цепи двойной спирали взаимодействует

с пространственно наиболее близко расположенным основанием другой

спирали строго определенным образом, так что аденин специфично связы-

вается только с тимином, а гуанин - с цитозином, что обусловлено гео-

метрическим сходством этих пар оснований, а также наличием двух и трех

водородных связей в парах оснований А-Т и С-G соответственно.

Две цепи ДНК имеют противоположную направленность (5′-3′ и 3′-

5′). В результате, располагая информацией о нуклеотидной последователь-

ности одной цепи ДНК, например 5′ CGAATCGTA 3′, можно сделать вы-

вод о строении соответствующего фрагмента двуспиральной молекулы

ДНК. В нашем случае этот фрагмент будет иметь структуру:

5’

CGAATCGTA 3’ и 3’ GCTTAGCAT 5.

Точно такую же двуспиральную структуру можно получить, если

была задана последовательность 5′ TACGATTCG 3′. Таким образом, в ин-

формационном смысле последовательность одной цепи ДНК определяет

последовательность комплементарной другой цепи ДНК, т.е. каждая цепь

служит матрицей для другой цепи.

Это характерное свойство ДНК является основой для синтеза дочер-

них ДНК из исходной родительской молекулы ДНК - процесса, называе-

мого репликацией ДНК. Если две комплементарные цепи ДНК разделяются

и на каждой из цепей в соответствии с правилами образования пар основа-

ний строятся двойные спирали, то конечным продуктом такого процесса

будут две новые молекулы, каждая из которых полностью идентична ис-

ходной двухцепочечной ДНК и содержит одну новую и одну старую цепь.

Редкие нарушения такой сборки ДНК из-за изменения факторов окружаю-

щей среды приводят к генетическим мутациям и фактически предопреде-

ляют эволюционную изменчивость живых организмов.

Таким образом, образование пар оснований составляет химическую

основу считывания биологической информации, закодированной в нуклео-

тидной последовательности ДНК. Справедливость общих принципов тако-

го механизма была убедительно доказана экспериментами по выращива-

нию клеток E. coli сначала в среде, содержащей ¹⁵N, а затем в среде толь-

ко с нормальным изотопом азота ¹⁴N.

Содержащие различные изотопы ДНК могут быть разделены на

ультрацентрифуге. Ультрацетрифугирование и применение изотопных

меток, в том числе радиоактивных, являются важнейшими инструментами

экспериментальных исследований в современной биохимии и биотехноло-

гии.

Другая важная деталь структуры ДНК - водородные связи, с помо-

щью которых формируется пары оснований. Водородные связи способст-

вуют стабилизации двухцепочечной структуры ДНК, однако эта стабили-

зация не является ни постоянной, ни обратимой. Биологическая функция

ДНК основана на раскручивании спирали и разделении двух своих цепей.

Разделение двух цепей ДНК при нагревании является основой важ-

ного метода идентификации различных ДНК. Поскольку пары оснований

АТ связаны двумя водородными связями, а пары СG - тремя, то содержа-

щие большее число пар АТ участки ДНК плавятся (так условно называется

процесс разделения двух цепей) раньше, чем участки, обогащенные пара-

ми GС. Процесс плавления легко контролируется путем изменения погло-

щения раствора ДНК при 260 нм. Одноцепочечные ДНК поглощают силь-

нее и процесс плавления ДНК регистрируется по увеличению общей аб-

сорбции.

Температурой плавления ДНК, Т_пл, называют температуру, при кото-

рой изменение абсорбции составляет 50 % от разницы в абсорбции между

полностью двухцепочечной и полностью расплавленной (одноцепочечной)

ДНК. Как и следовало ожидать, величина Т_пл. коррелирует с содержанием

GC. Например, ДНК из E. coli, содержащей

50 % GC, имеет Т_пл. = 69 ^оС, а

ДНК из Pseudomonas aeruginosa с 68 % GC характеризуется Т_пл. = 76 ^оС.

Содержание GC в различных организмах меняется в широких пределах (от

23 до 75 %). Особенности нуклеотидного состава иногда используются

для идентификации организмов.

Если раствор расплавленной ДНК охладить, то разделенные компле-

ментарные цепи вновь образуют структуру типа двойной спирали (эту

операцию называют отжигом). Аналогично два различных одноцепочеч-

ных сегмента ДНК с частично комплементарными последовательностями

могут подвергаться гибридизации с образованием сегмента двойной спи-

рали. Гибридизация является важнейшим экспериментальным приемом в

биохимии и технологии рекомбинантных ДНК. В завершении, следует от-

метить, что двухцепочечную ДНК можно также расплавить или денатури-

ровать путем добавления щелочи или кислоты, что приводит к ионизации

оснований. Можно упомянуть также, что с точки зрения гидродинамики

двухцепочечная ДНК в растворе ведет себя подобно жесткому стержню, в

то время как одноцепочечная ДНК по своему поведению напоминает не-

упорядоченный полимерный клубок.

Как уже было выше упомянуто, вся информация, необходимая для

выполнения клеткой ее важнейших функций, в том числе роста и деления,

в бактериях типа E. coli содержится в одной молекуле ДНК, которая имеет

строение гигантского кольца. В нативном состоянии ДНК из E. coli суще-

ствует в сверхспирализованной форме. В случае прокариотов ДНК клетки

носит название хромосомы. Кольцевая хромосома E. coli построена из 4,7

миллиона пар оснований.

В заключенном в мембрану ядре эукариот ДНК обычно поделена

между несколькими хромосомами; последние могут быть намного больше

хромосом прокариот. В состав хромосом эукариот входят также неболь-

шие основные белки, называемые гистонами, которые составляют около

половины массы хромосомы. Этот комплекс нуклеиновых кислот и белков

хромосом эукариот называется хроматином. В хлоропластах и митохонд-

риях эукариотических клеток также имеются отдельные, более мелкие мо-

лекулы ДНК.

Весьма существен тот факт, что клетки могут содержать и другие

молекулы ДНК. Относительно небольшие кольцевые ДНК, существующие

во многих бактериях и эукариотах, называют плазмидами. Бактериальные

плазмиды, например, представляют собой замкнутые двухцепочечные

кольцевые молекулы ДНК, содержащие от 4 до 50 тысяч пар оснований.

Биологические функции плазмид состоят в обеспечении клетки - хо-

зяина полезными, но не самыми необходимыми качествами, например ус-

тойчивостью к антибиотикам. В биохимических исследованиях и в техно-

логических процессах плазмиды занимают одно из самых центральных

мест, являясь важнейшим инструментом генно-инженерных методов ре-

комбинантных ДНК.

Другие небольшие молекулы ДНК могут быть введены в живые

клетки вирусами. Небольшие вирусы, способные заражать бактерии, назы-

вают бактериофагами или просто фагами. Последние могут вызвать ряд

трудностей в крупномасштабных технологических процессах с использо-

ванием чистых бактериальных культур. В то же время изучение фагов по-

зволило внести большой вклад в развитие молекулярной генетики. Кроме

того, фаги используются для создания стабильных рабочих коллекций или

библиотек сегментов ДНК. Фаг λ E .coli содержит одну циклическую

двухцепочечную молекулу ДНК, построенную из 48,6 тысяч оснований.

ДНК фага Т2 E.coli состоит из 166 тысяч оснований.

Основная функция ДНК заключается в хранении инструкций для

синтеза молекул РНК определенной нуклеотидной последовательности и

длины. Некоторые из этих РНК затем направляют синтез различных спе-

цифических белков. Кодирующей последовательность молекулы РНК сег-

мент ДНК, называется, как уже отмечалось ранее, геном.

Во всех клетках имеются рибонуклеиновые кислоты трех типов.

Четвертый тип характерен для некоторых вирусов. Молекулы РНК по-

строены из остатков рибонуклеотидов, углеводным компонентом которых

является рибоза (а не дезоксирибоза, как в ДНК). Подобно ДНК, в РНК

нуклеотиды расположены в определенной последовательности. В сущно-

сти, нуклеотидная последовательность РНК строится на основе той ин-

формации, которая содержится в соответствующих сегментах ДНК. В пе-

редаче информации от ДНК к РНК основную роль опять-таки играет обра-

зование пар оснований. Правила образования пар оснований в этом случае

аналогичны тем, которым подчиняется процесс образования пар оснований

двухцепочечных ДНК, за исключением пары аденин - тимидин; при синте-

зе РНК вместо нее формируется пара аденин - урацил.

В нормальном цикле жизнедеятельности клетки участвуют различ-

ные РНК, выполняющие важную функцию считывания и реализации гене-

тической информации, заложенной в ДНК. Матричная, или информацион-

ная РНК (м-РНК или и-РНК) комплементарна последовательности осно-

ваний гена в ДНК. Каждая молекула м-РНК переносит определенную ин-

формацию от ДНК к другому механизму биохимического аппарата клетки.

Поскольку объем этой информации меняется в довольно широких преде-

лах, то и величина молекул м-РНК тоже может быть различной. Обычно

цепь м-РНК содержит 10³- 10⁴ нуклеотидов.

РНК почти всегда имеет одноцепочечную структуру, тогда как обра-

зование меж- и внутримолекулярных пар оснований часто играет важную

роль в структуре или функции РНК.

Содержащаяся в м-РНК информация считывается в рибосоме. До

65 % рибосомы составляет рибосомальная РНК (р-РНК), которая в свою

очередь может быть разделена на РНК нескольких типов. В частности,

рибосома E. coli содержит три различные РНК, обозначаемые 23S, 16S и

5S, которые содержат около 3⋅10³, 1,5⋅10³ и 1⋅10² нуклеотидных остатков

соответственно. В рибосомах из цитоплазмы клеток - эукариот, с другой

стороны, имеются 28S, 18S, 7S и 5S р-РНК, а в рибосомах митохондрий и

хлоропластов обнаружены РНК, специфичные только для этих органоидов.

Транспортные РНК (т-РНК) отличаются наименьшей молекулярной

массой и содержат всего лишь от 70 до 95 нуклеотидных остатков. Они на-

ходятся в цитоплазме клетки и участвуют в процессе реализации генетиче-

ского кода в рибосоме. Нуклеотидные последовательности и, следователь-

но, структура и функции различных клеточных р-ДНК и т-РНК, как и

м-РНК, определяются последовательностями нуклеотидных остатков соот-

ветствующих генов клеточной ДНК.

Конечный результат этого сложного процесса передачи и трансляции

информации заключается в синтезе молекулы белка. Таким образом, бел-

ки представляют собой конечный результат генетической информации, но-

сителем которой является ДНК.

Белки и аминокислоты. Белки представляют собой наиболее рас-

пространенные органические соединения клетки, которые составляют от

30 до 70 % от общей массы сухих веществ в клеточном содержании. Как

известно, все белки построены из четырех самых распространенных био-

логических элементов - углерода, водорода, азота и кислорода. В среднем

белки содержат 50 % С, 7 % Н, 23 % О и 16 % N. Кроме того, в белках со-

держится до 3 % серы, которая играет важную роль в стабилизации струк-

тур почти всех белков за счет образования дисульфидных

…-S-S-… свя-

зей между атомами серы, расположенными в различных участках поли-

мерной цепи.

Роль белков в природе универсальна, но одна из главнейших функ-

ций белков заключается в их способности служить биокатализаторами

многочисленных биохимических реакций, протекающих в клетке. Как

уже упоминалось ранее, такие белки-катализаторы носят название фер-

ментов. Ферменты локализуются в различных участках клетки. Некото-

рые из них находятся в растворенном или даже в суспендированном со-

стоянии в цитоплазме клетки и в таком виде распределяются по всему ее

объему, другие связаны с мембранами клеток или существуют в виде ассо-

циатов с другими веществами, с которыми они способны образовывать

надмолекулярные агрегаты. Ранее упоминалось о гормональной роли по-

липептидов или низкомолекулярных белков. Кроме этого белки могут вы-

полнять структурные функции (кератин, фиброин, коллаген), транспорт-

ные функции (гемоглобин, миоглобин), двигательные функции (актин,

миозин), защитные функции (иммуноглобулины), функции запаса пита-

тельных веществ для клетки и организма (казеин, яичный альбумин), а

также быть одними из самых сильных ядов и токсинов, например, змеиный

яд (гирудин), дифтерийный токсин, токсин ботулинуса.

Названию «белки», наиболее принятому в отечественной и мировой

литературе, соответствует слово протеин, производное от греческого сло-

ва proteios, что означает первый.

Пептиды и белки состоят из остатков α-аминокислот. Общее число

встречающихся в природе аминокислот достигает 300, однако некоторые

из них обнаруживаются лишь в определенном сообществе или даже в од-

ном организме. Среди них выделяется группа из 20-ти наиболее важных α-

аминокислот, постоянно встречающихся практически во всех белках.

α-Аминокислоты - гетерофункциональные соединения, они обяза-

тельно содержат карбоксильную и аминогруппы в своей молекуле, нахо-

дящиеся у одного и того же атома углерода. Общая формула аминокислот,

содержащих в своей структуре алифатический радикал R, может быть за-

писана в следующем структурном виде: NH₂СН(R)СООН.

Все аминокислоты, за исключением глицина, известного также под

названием «аминоуксусная кислота», имеют оптическую стереоизомерию.

Причем, если у бактерий и низших эукариотов в продуктах метаболизма

встречаются как L- , так и D-изомеры, например, в виде антибиотиков, то

высшие эукариоты, включая человека и животных, строят свои белки, гор-

моны и другие продукты, необходимые для их жизнедеятельности, только

из L-аминокислот.

Обычно в белковых молекулах принято называть аминокислоты не

полностью, а по первым трем буквам их названия, например Гли- или Gly-

для глицина, Ала- или Ala - для аланина и т.д.

Основным источником α-аминокислот для живого организма служат

пищевые белки. Большинство из 20 аминокислот синтезируется в организ-

ме человека из остатков сахаров или органических кислот, однако 8 ами-

нокислот не синтезируются организмом человека, так же, как некоторые

жирные кислоты и витамины, и должны поступать извне. Они, так же, как

и в предыдущих случаях, получили название незаменимых аминокислот. К

ним относятся: валин (Val, Вал), лейцин (Leu, Лей), изолейцин (Ile, Иле),

лизин (Lys, Лиз), треонин (Thr, Тре), метионин (Met, Мет), фенилаланин

(Phe, Фен), триптофан (Trp, Трп).

Три аминокислоты не достаточно эффективно синтезируются в орга-

низме детей и больных почечными заболеваниями. Эти аминокислоты но-

сят названия полунезаменимых, к ним относятся аргинин (Arg, Арг), цисте-

ин (Cys, Цис) и гистидин (His, Гис).

При некоторых врожденных заболеваниях, например фенилкетону-

рии, человеческий организм перестает синтезировать еще одну кислоту -

тирозин (Tyr, Тир), которая в организме здоровых людей образуется при

гидроксилировании фенилаланина. В этом случае незаменимой аминокис-

лотой становится тирозин, а фенилаланин приобретает свойства токсина и

должен быть удален тем или иным методом из пищевого рациона.

Медико-биологическое значение α-аминокислот. Помимо роли

строительных элементов для синтеза белка, большинство аминокислот об-

ладает еще и значительным физиологическим воздействием на организм

человека, выполняя в ряде случаев гормональную функцию. Например,

глицин обладает функцией гашения нервных импульсов, т.е. является ме-

диатором торможения, и широко применяется в медицинской практике.

Глутаминовая и частично аспарагиновая кислоты также играют роль ме-

диаторов торможения, т.е. также частично обладают гормональным дейст-

вием, и применяются в клинической практике при различных заболеваниях

нервной системы, например таких, как эпилепсия. Метионин и гистидин

могут быть успешно использованы для лечения и предупреждения заболе-

ваний печени, гистидин и аргинин - для лечения заболеваний почек, цис-

теин - глазных болезней, а дииодированный тирозин является предшест-

венником - тироксина, важнейшего гормона щитовидной железы.

Таким образом, в зависимости от вида радикала R в боковой цепи

аминокислоты обладают тем или иным физиологическим действием и со-

ответственно физико-химическими свойствами.

Благодаря способности тиольной группы к легкому окислению, цис-

теин выполняет защитную функцию при воздействии на организм веществ

с высокой окислительной способностью. Он был первым препаратом, про-

явившим свое противолучевое действие. В экспериментах на лаборатор-

ных животных показано, что применение цистеина для лечения острой лу-

чевой болезни приводит к повышению выживаемости животных, а введе-

ние его перед облучением уменьшает степень лучевого поражения.

Окисленная форма цистеина - цистин используется в фармацевтиче-

ской практике в качестве стабилизатора лекарственных препаратов. Кроме

того, процесс превращения цистеина в цистин приводит к стабилизации

структуры белков.

α-Аминокислоты, относящиеся к разным стереоизомерам, иногда

сильно различаются по вкусу. Например, D-глутаминовая кислота без-

вкусна, а L-глутаминовая кислота имеет вкус мяса, поэтому L-

глутаминовую кислоту, получаемую в огромных масштабах, широко при-

меняют в виде глутамата натрия как вкусовую добавку к пищевым про-

дуктам.

Из аминокислот L-ряда сладким вкусом обладают аланин, серин,

пролин, глицин. В связи с этим α-аминокислоты привлекают серьезное

внимание исследователей, занимающихся химией пищи, как возможные

заменители сладких веществ углеводной природы в связи с проблемой за-

болевания диабетом. В настоящее время в промышленном масштабе вы-

пускается пищевое вещество аспартам, обладающий почти в 200 раз более

сладким вкусом, чем сахароза и имеющий аминокислотную природу. Ас-

партам представляет собой метиловый эфир дипептида L-аспарагинил-L-

фенилаланина, т.е. состоит из остатков аспарагиновой кислоты и фенила-

ланина. В организме аспартам расщепляется на эти две аминокислоты и не

приводит к тем последствиям, которые сопровождают сахар.

Чрезвычайно важен для организма путь декарбоксилирования ами-

нокислот и образование так называемых биогенных аминов, которые в

большинстве своем имеют гормональную природу (адреналин, норадрена-

лин и др.). В организме эту реакцию обычно катализирует фермент декар-

боксилаза, приводящий, например, к образованию из гистидина - гистами-

на, который, как известно, вызывает сильные аллергические реакции.

Другим интересным примером является процесс декарбоксилирова-

ния глутаминовой кислоты и образования из нее γ-аминомасляной кисло-

ты, широко используемой в медицинской практике для лечения различных

нарушений нервной системы.

Структурные особенности пептидов и белков. Как известно, моле-

кулярные массы белков могут меняться от 6000 до 1 млн. и более дальтон.

Белки имеют несколько типов структур, они могут быть фибриллярными и

глобулярными.

Белки вместе с липидами являются структурными элементами кле-

точных мембран, а ряд белков выполняет двигательные функции. У мно-

гих одноклеточных организмов имеются небольшие образования, по фор-

ме напоминающие волоски, которые называются жгутиками. Эти жгутики

движутся под действием белков, способных сокращаться, и тем самым

обеспечивают перемещение всей клетке. Другие нитевидные и трубчатые

придатки, называемые фимбриями, участвуют в инициировании связыва-

ния патогенных бактерий с чувствительными к ним тканями.

Пептиды, по сравнению с белками, являются более удобными объ-

ектами для физико-химического изучения, поскольку имеют небольшую

молекулярную массу (менее 6000 Да). Названия пептидов строятся путем

последовательного перечисления аминокислотных остатков, начиная с N-

конца, с добавлением суффикса -ил, кроме последней С-кольцевой ами-

нокислоты, для которой сохраняется ее полное название.

Полипептиды представляют собой сравнительно короткие цепи, по-

строенные так же, как и белки, из аминокислотных остатков. По мере уве-

личения длины цепи физико-химические свойства полимера все в большей

степени будут определяться природой групп R аминокислотных остатков,

а роль концевых аминной и карбоксильной групп будет все менее и менее

важной. Полипептидами принято называть относительно небольшие поли-

аминокислотные цепи, Многие полипептиды имеют большое биологиче-

ское значение, в частности, к числу полипептидов относится ряд гормонов,

например инсулин, гормон роста соматотропин и соматостатин, хотя неко-

торые из этих гормонов принято считать белками (инсулин). Как видно из

представленного примера граница между полипептидами и белками весьма

условна, обычно принято считать, что она лежит в пределах 50…100 ами-

нокислотных остатков. Считая, что средняя молекулярная масса амино-

кислотного остатка составляет около 120 дальтон, можно условно сказать,

что молекулярная масса белков должна превышать 10 000 дальтон.

Белки бывают простыми и сложными. Простые белки представляют

собой полимеры, образующиеся путем конденсации одних только амино-

кислот. Сложные белки содержат в своей молекуле другие органические и

даже неорганические группировки, называемые простетическими группа-

ми. Широко известным примером сложных белков является гемоглобин,

переносчик кислорода в красных кровяных тельцах, в состав молекулы ко-

торого входят четыре группировки гема, представляющие собой железосо-

держащие металлорганические комплексы. В близком по структуре, но

меньшим по молекулярной массе, миоглобине содержится один гем.

Способность белков выполнять множество специфических функций,

большей частью обусловлена тем обстоятельством, что белки могут суще-

ствовать в самых различных конформациях. Принято подразделять их

структуру на три уровня, а при наличии нескольких полипепептидных це-

пей обычно рассматривают еще и четвертый уровень. Каждый структур-

ный уровень определяется различными факторами, которые в сумме обес-

печивают всё разнообразие структур и функций белков.

Первичная структура белка подразумевает свойственную ему по-

следовательность аминокислотных остатков. Первым белком (или поли-

пептидом), у которого английскому биохимику Ф. Сенгеру (Нобелевский

лауреат F. Sanger) удалось выяснить полную первичную структуру, был

инсулин. Теперь можно считать доказанным, что для любого белка харак-

терен не только определенный аминокислотный состав, но и специфиче-

ская аминокислотная последовательность, которая определяется нуклео-

тидной последовательностью ДНК.

В настоящее время известна аминокислотная последовательность

многих полипептидов и белков, которая может быть получена в Интернете

по адресу http://www.rcsb.org/pdb.

Боковые цепи аминокислотных остатков взаимодействуют друг с

другом и с непосредственным окружением белка, тем самым, определяя

геометрическую конфигурацию белковой молекулы. Складывание полипе-

тидной цепи в строго определенную трехмерную структуру приводит к

белковой молекуле сложной, запутанной формы типа лизоцима. Такое

сложное пространственное строение белка определяется в первую очередь

его первичной структурой.

Значимость первичной структуры белков становится особенно оче-

видной, если учесть, что она в свою очередь определяется клеточной сис-

темой кодирования.

Таким образом, аминокислотная последовательность белков является как

бы тем звеном, которое соединяет главный командный центр клетки, ДНК,

со сложными, высокоспецифичными молекулами белков, осуществляю-

щими и регулирующими разнообразные биохимические процессы, необ-

ходимые

Вторичная и третичная структуры. Под вторичной структурой

белков понимают относительное расположение в пространстве аминокис-

лотных остатков, занимающих соседние положения в аминокислотной по-

следовательности. Частичная двоесвязанность амидной связи обуславлива-

ет её планарность. По этой причине вращение возможно только вокруг

двух из каждых трёх связей пептидной цепи, что ограничивает число кон-

формаций, которые может принимать короткий участок цепи.

Существуют две основные формы вторичной структуры белков: α-

спираль и β-структура (β-слой). Считается, что конформация фибрилляр-

ных белков волос, шерсти и ряда других объектов стабилизируется водо-

родными связями между атомами соседний аминокислотных остатков. При

свертывании белковой цепи в спираль возможно образование таких связей

между группой -С=О одного остатка и группой -NH- другого, отделен-

ного от первого тремя аминокислотными остатками. Такое связывание без

существенной деформации связей и углов полипептидной цепи возможно

только при одной конформации, называемой α-спиралью. Предполагается,

что в молекуле коллагена, самого распространенного белка высших жи-

вотных, имеется три α-спиральных участка, объединенных в одну супер-

спираль. Жесткие и относительно малоэластичные молекулы коллагена

выполняют механическую (опорную) функцию.

Коллаген обнаружен в коже, сухожилиях, роговице глаза и многих

других органах. В последнее время фракции коллагена стали широко ис-

пользоваться в пищевой промышленности в качестве частичной замены

мясных белков (до 3 %), в медицине как составная часть биосовместимых

материалов и протезов, а так же в качестве матрицы для иммобилизации

ферментов и клеток (биокатализаторы).

Водородные связи не отличаются высокой прочностью, поэтому α-

спиральные структуры легко разрушаются. Так, например, белки могут те-

рять спиральную структуру в водных растворах в результате конкурентно-

го образования водородных связей с молекулами воды. Если волокна шер-

сти обработать паром и растянуть, то белки шерсти принимают иную кон-

формацию, называемую β-структурой (β-слоем, складчатым слоем). По-

следняя характерна для нативных белков волокна шелка.

β-Структура также стабилизирована водородными связями, однако в

этом случае они возникают между соседними параллельными цепями. Для

этой структуры характерна гибкость и в то же время высокая устойчивость

к растяжению.

Свойства вторичной структуры фибриллярных белков широко ис-

пользуются в пищевой промышленности. Некоторые пищевые продукты

растительного происхождения, например, соевые бобы, являются ценными

источниками незаменимых аминокислот; в то же время они не обладают

консистенцией и текстурой мясных продуктов. Для придания им этих ка-

честв растворенные глобулярные белки перерабатывают в так называемый

«текстурированный белок» путем их трансформации в структуры, более

близкие к линейным.

В результате трудоемких и сложных экспериментов удалось опреде-

лить полное пространственное строение нескольких белков. Для этой цели

выращивали кристаллы чистого белка, которые затем изучали методом

рентгеноструктурного анализа. Этот метод собственно и позволил опреде-

лить так называемую третичную структуру белков.

Третичная структура белков, особенно глобулярных, чрезвычайно

сложна. Как показали многочисленные экспериментальные исследования,

третичная структура стабилизируется несколькими типами связей. Так,

взаимодействие между боковыми группами R, удаленными друг от друга в

аминокислотной последовательности белков, определяют характер скла-

дывания или изгиба белковой цепи с образованием компактных конфигу-

раций, типичных для глобулярных белков. Следовательно, в формирова-

нии трехмерной структуры участвуют ионные, водородные связи, а также

гидрофобные взаимодействия между неполярными группами.

Подобно мицеллам, образующимся из липидов, у многих глобуляр-

ных белков гидрофобные остатки сконцентрированы во внутренней части

молекулы, а более гидрофильные группировки расположены на её поверх-

ности. Такая конформация, часто называемая моделью масляной капли, ве-

роятно, наиболее устойчива в естественной для нативных белков водной

среде.

Все эти слабые взаимодействия легко нарушаются при различных

изменениях окружающей среды. В биологических системах энергия водо-

родной связи составляет от 12 до 30 кДж/моль, а энергия ионной связи

обычно равна 20…21 кДж/моль, поэтому уже умеренное нагревание может

нарушить некоторые из этих связей. Изменение рН, ионной силы, физиче-

ские воздействия и добавление к водным растворам органических раство-

рителей, очевидно, могут привести к нарушению третичной структуры

белков, свойственной им в нативной форме.

В создании устойчивых конформаций белков важную роль играют

также ковалентные связи, особенно часто образующиеся между двумя ос-

татками цистеина. Дисульфидные мостики играют роль поперечных свя-

зей в полипептидной цепи, а иногда они связывают две различные цепи.

Молекула инсулина, например, представляет собой две цепи, содержащие

21 и 30 аминокислотных остатков, соединенные между собой двумя ди-

сульфидными связями. Третий дисульфидный мостик образует внутрен-

нюю поперечную связь в более короткой цепи А. По сравнению с указан-

ными выше слабыми связями, дисульфидные ковалентные мостики более

устойчивы к термическому воздействию. В то же время дисульфидные

связи легко восстанавливаются избытком сульфгидрильных соединений,

например β-меркаптоэтанолом.

Конформация белка в существенной степени определяет его биоло-

гическую активность. Многочисленные эксперименты свидетельствуют о

том, что во многих случаях белок способен выполнять свойственную ему

функцию, только находясь в определенной трехмерной структуре. Этот

принцип положен, в частности, в основу так называемой модели «замка и

ключа», достаточно наглядно объясняющей высокую специфичность бел-

ковых ферментов, катализирующих биохимические превращения.

Известно, что любой фермент способен катализировать превращения

только определенных органических соединений, называемых обычно суб-

стратами. Согласно модели замка и ключа фермент обладает специфиче-

ским участком «замком», который по своей структуре комплементарен

(т.е. родственен) молекуле субстрата - «ключу». В связи с этим с фермен-

том могут связываться и подвергаться дальнейшим каталитическим пре-

вращениям только субстраты, обладающие необходимой пространствен-

ной структурой.

Полученные в ходе изучения третичной структуры белков экспери-

ментальные данные не только подтвердили эту гипотезу, но и помогли

глубже понять механизм каталитического действия ферментов.

Неоднократно показано, что непосредственная связь между про-

странственным строением белков и их высоко специфическими взаимо-

действиями с другими веществами характерна также для пермеаз, гормо-

нов, антител и других белков.

Если белок находится в условиях, отличающихся от его обычного

биологического окружения, он может подвергаться структурным измене-

ниям, которые обычно сопровождаются потерей его функциональных

свойств. Этот процесс обычно называют денатурацией белка. Денатурация

может быть вызвана, например, относительно небольшими изменениями

рН и температуры раствора. В этом случае, как правило, она не сопровож-

дается разрушением ковалентных связей. При медленном охлаждении раз-

бавленного раствора денатурированного белка до свойственной ему в при-

родных условиях температуры может происходить обратный процесс, на-

зываемый ренатурацией, сопровождающийся восстановлением третичной

структуры и, следовательно, функциональной деятельности белка.

Это явление объясняется тем, что как и в случае многих других пре-

вращений, повышение температуры способствует росту энтропии (разу-

порядоченности) системы и, следовательно, разрушению глобулярных

структур белков. Охлаждение благоприятствует осуществлению взаимо-

действий, обеспечивающих компактную структуру белка и его рена-

турацию.

Принимаемая белком и определяющая его свойства конформация

характеризуется минимумом свободной энергии молекулы. Однако пока

что эту концепцию нельзя использовать для предсказания структуры и

функции белка, если известна только его аминокислотная последователь-

ность, но она может оказаться полезной в тех случаях, когда требуется вы-

сказать обоснования предположения об изменении свойств белка в усло-

виях конкретного технологического процесса. В частности, эта концепция

помогает понять, почему связанный с твердой поверхностью фермент ме-

нее активен, чем тот же фермент в растворе.для роста и выживания клетки.

Белки могут быть построены из нескольких полипептидных цепей,

так называемых субъединиц. Из таких белков наиболее широко известен

белок гемоглобин, который имеет четвертичную структуру. Следова-

тельно, под четвертичной структурой белка понимают способ упаковки

субъединиц. В настоящее время множество белков, в особенности фермен-

тов, представляют собой олигомеры и поэтому должны обладать четвер-

тичной структурой.

Считается, что четвертичная структура стабилизируется теми же си-

лами и связями, что и третичная, а иногда в ее стабилизации участвуют ди-

сульфидные связи. Известно, что многие олигомерные белки способны к

самоконденсации. Так, например, разделенные α- и β-цепи гемоглобина в

растворе быстро ассоциируют с образованием молекул интактного гемо-

глобина. Это свойство белков особенно показательно в том смысле, что

оно свидетельствует об определяющей роли биохимического одномерного

кода ДНК, который характеризует не только первичную структуру белков,

а, следовательно, и их специфические биологические функции.

Имеющиеся в настоящее время данные показывают, что построение

молекул некоторых белков из нескольких субъединиц обеспечивает вы-

полнение по меньшей мере двух важных биологических функций: во-

первых, регулирует каталитическую активность ферментов и, во-вторых,

создает широкие возможности для построения родственных, но не иден-

тичных молекул из одного и того же набора субъединиц.

Иллюстрацией последней функции могут служить белки, называе-

мые изоферментами или изозимами. Изоферменты представляют собой

различные молекулярные формы фермента, катализирующие одну и ту же

реакцию в организмах одного вида. Существование изоферментов само по

себе может показаться ненужным, однако на самом деле доступность па-

раллельных, но различных каталитических процессов является важным

элементом ряда систем биохимической регуляции.

Известно, что некоторые изоферменты представляют собой олиго-

мерные белки, построенные иногда даже из пяти субъединиц. Подобная

конструкция достаточно выгодна и целесообразна с биологической точки

зрения, так как она позволяет синтезировать несколько различных белков

всего лишь из двух полипептидных цепей.

Биохимические соединения смешанного строения. Существует

много веществ биологического происхождения, представляющих интерес с

научной или практической точки зрения, которые трудно отнести к одному

из рассмотренных в предыдущих главах классов соединений. Эти вещества

имеют смешанное строение и сформированы из остатков липидов, сахаров

и аминокислот в различных сочетаниях. Соединения смешанного строения

выполняют ряд важных биологических функций.

Клеточные стенки, пептидогликаны и липополисахариды. Ранее уже

говорилось о том, что клеточные мембраны играют жизненно важную роль

в регуляции транспорта веществ в клетку и из клетки. В этом отношении

не менее важны и другие структурные элементы наружных поверхностей

клеток микроорганизмов и тканей. Совершенно очевидно, что условия су-

ществования микроорганизмов и тканей высших животных отличаются

друг от друга. Например, бактерии, живут в гораздо более изменчивом и

менее контролируемом окружении, чем клетки печени, поэтому микроор-

ганизмы должны обладать гораздо большей жесткостью, устойчивостью к

физическим нагрузкам и резким изменениям осмотического давления. От-

сюда следует, что по структуре наружные бактерии должны сильно отли-

чаться от клеток микроорганизмов и тканей к физическим нагрузкам и рез-

ким изменениям осмотического давления.

В процессах биохимической технологии оболочки клеток представ-

ляют интерес в нескольких аспектах. Во-первых, свойства наружных по-

верхностей клеток определяет их способность к адгезии друг с другом, а

также со стенками реакторов, трубопроводов и сепараторов. Химические и

механические характеристики оболочек определяют также устойчивость

клетки к воздействию физических, ферментативных и химических факто-

ров, что существенно в процессах выделения компонентов клетки.

Структуры грамположительных и грамотрицательных клеток сильно

отличаются друг от друга: у тех и у других оболочки состоят из несколь-

ких слоев, но их положение, толщина и состав далеко не идентичны. Грам-

положительные бактерии имеют одну мембрану, а грамотрицательные -

две аналогичные мембраны.

Между наружной и цитоплазматической мембранами в грамотрица-

тельных бактериях находится область, называемая периплазматическим

пространством или периплазмой. В периплазматическом пространстве,

включающем от 20 до 40 % общей массы клетки, находится ряд фермен-

тов, а также белков, связывающих сахара и аминокислоты.

В грамположительных и в грамотрицательных бактериях непосред-

ственно к внешней поверхности цитоплазматической мембраны примыкает

пептидогликановый слой (ПГ). Пептидогликаны построены из остатков ди-

сахарида, состоящего из N-ацетилмурамовой кислоты

(NAM) и N-

ацетилгюкозамина (NAG), связанных β-1,4-гликозидной связью, а также

мостикового пентапептида, состоящего только из остатков глицина, и тет-

рапептида. Строение последнего зависит от вида микроорганизма. В

Staphylococcus aureus, например, этот тетрапептид содержит остатки L-

аланина, D-глутамина, L-лизина и D-аланина. Все перечисленные эле-

менты структуры пептидогликанов связаны множеством поперечных свя-

зей, образуя как бы одну гигантскую макромолекулу, окружающую всю

клетку.

Важными компонентами внешней части наружных мембран грамот-

рицательных бактерий являются липополисахариды. Некоторые липополи-

сахариды называют эндотоксинами, поскольку они в высшей степе-

ни токсичны для млекопитающих. Токсичность липополисахаридов - одна

из причин того, почему заражение крови бактериями E.coli может быть

чрезвычайно опасным. По этой причине при очистке белков, синтезируе-

мых генетически трансформированной E.coli, необходимо тщательное

удаление эндотоксинов.

Молекулы липополисахаридов внешней мембраны имеют три участ-

ка: а) липидный компонент А, состоящий из шести ненасыщенных жир-

ных кислот, углеводородные цепи которых проходят в мембрану; они свя-

заны с остатком диглюкозамина; б) центральную олигосахаридную об-

ласть, построенную из остатков десяти моносахаридов, некоторые из них

относятся к числу редких сахаров; в) боковую О-цепь, состоящую из мно-

жества повторяющихся тетрасахаридных остатков. Центральная область и

О-цепь направлены от клетки в среду. Таким образом, именно наружные

боковые О-цепи взаимодействуют с иммунной системой зараженного жи-

вотного. Путем мутаций бактерии могут достаточно быстро менять струк-

туру О-цепей, что является частью системы их антииммунной защиты.

У многих видов микроорганизмов внешняя мембрана окружена кап-

сулой или слизистым слоем, по химической природе являющимся полиса-

харидом.

Капсула одного из штаммов пневмококков (бактерий, вызывающих

пневмонию) построена из чередующихся остатков глюкозы и глюкуроно-

вой кислоты. Мутанты, не имеющие такой полисахаридной капсулы, не

обладают патогенными свойствами.

Производство внеклеточных полисахаридов является важным про-

мышленным процессом, например, как уже отмеченное выше производст-

во декстрана. Слизистые слои, кроме того, принимают участие при флоку-

ляции бактерий, являющейся важным этапом процессов обработки сточ-

ных вод методом активного ила.

Цитоплазматическая мембрана дрожжевых клеток состоит из липи-

дов, белков и полисахаридов, содержащих остатки маннозы. За внешней

стороной оболочки клетки сразу за цитоплазматической мембраной распо-

ложено периплазматическое пространство, окруженное в свою очередь

клеточной стенкой. В пекарских дрожжах Saccharomyces cerevisiae кле-

точная стенка содержит от 6 до 8 % белков, в том числе и несколько фер-

ментов, а также приблизительно по 30 % масс. глюкана

-полисахарида,

построенного из остатков D-глюкозы, соединенных β-1,6-связями, а также

поперечными β-1,3-связями, и маннана

- полиманнозы с α-1,6-связями и

α-1,2-боковыми цепями. При обработке S. cerivisiae ферментом, гидроли-

зующим глюкан, например 1,3-глюканазой, можно получать соответст-

вующие протопласты, Такую обработку обычно проводят при введении

рекомбинантных молекул ДНК в дрожжевые клетки.

Клеточные стенки дрожжей и многих плесеней содержат хитин,

макромолекула которого построена из остатков N-ацетилглюкозамина, со-

единенных гликозидными β-1,4-связями.

Животные клетки, существующие в строго контролируемом изото-

ническом окружении, не имеют клеточных стенок. Помимо фосфолипидов

и белков в их плазматических мембранах содержится от 2 до 10 % углево-

дов. Последние обнаружены на внешней поверхности всех клеток млеко-

питающих, изученных к настоящему времени.

Как показали исследования, обнаруженные углеводы связаны с ли-

пидами и белками в виде гликолипидов и гликопротеинов соответственно.

Антитела и другие гликопротеины. Белки, содержащие ковалентно

связанные остатки моносахаридов или коротких олигосахаридных цепей,

называют гликопротеинами. Гликопротеины самых различных типов об-

наружены в эукариотах и окружающей их среде. К числу гликопротеинов

относится ряд ферментов, например глюкозооксидаза, продуцируемая

Aspergillus niger. Так, вышеупомянутый коллаген - биологический опор-

ный элемент - также представляет собой гликозилированный белок. Гли-

копротеинами являются и некоторые интерфероны, мощные противови-

русные агенты. По сути дела, большая часть белков эукариот, контакти-

рующих с окружением клетки или выделяемых ею в среду, представляет

собой гликопротеины. Некоторые гликопротеины уже стали или, по всей

вероятности, в ближайшее время станут ценными промышленными про-

дуктами.

К гликопротеинам относятся и антитела - важнейшее оружие им-

мунной защиты позвоночных. Как показывают исследования, с помощью

методов слияния клеток можно получать в значительных количествах го-

могенные антитела в организмах животных или в биологических реакто-

рах, что позволяет уже сейчас применять их для диагностических целей,

введения лекарственных препаратов и разделения биологически важных

веществ, например очистки человеческого инсулина, полученного генно-

инженерным путем. Совершенно очевидно, что в будущем сферы исполь-

зования этих белково - углеводных структур будут увеличиваться.

Известно, что в состав иммунной системы позвоночных входят β-

клетки, принадлежащие к одному из двух типов обнаруженных в организ-

ме лимфоцитов. В присутствии чужеродного вещества (вируса или клет-

ки), обычно называемого антигеном, β-клетки дифференцируются и обра-

зуют плазматические клетки, которые выделяют антитела. Последние спе-

цифически связывают антигены. Образующийся комплекс антиген - анти-

тело осаждается и выводится из организма.

Антитела представляют собой особый класс белков, называемых

иммуноглобулинами. Молекула иммуноглобулина состоит из двух иден-

тичных, более длинных «тяжелых» цепей, связанных друг с другом ди-

сульфидными связями, а нековалентными связями с двумя другими, также

идентичными, но более короткими «легкими» цепями. В наиболее широко

распространенном классе иммуноглобулинов, обозначаемом IgG, легкие и

тяжелые цепи имеют молекулярные массы 23000 и 53000 дальтон соответ-

ственно. С-Концевые участки как легких, так и тяжелых цепей, практиче-

ски не отличающиеся по структуре в иммуноглобулинах одного типа, на-

зывают постоянными участками. Область F_c, представляющая собой

ствол молекулы антитела, построена из С-концевых последовательностей

постоянных участков тяжелых цепей.

Дифференциация антител в пределах одного типа осуществляется

прежде всего в N-концевых участках цепей, называемых вариабельными.

Связывающий антиген активный центр антитела - паратоп - формируется

из вариабельных участков легких и тяжелых цепей. Как и в случае фер-

ментов, центры, связывающие антиген, в различных антителах могут су-

щественно различаться по своей специфичности и сродству к антигенам.

Иерархия клеточной структуры. По мере роста живой клетки в ней

должен постоянно осуществляться синтез всех рассмотренных выше био-

логически активных веществ и биополимеров. Обычно питательная среда

клетки состоит из сахаров, диоксида углерода, некоторых аминокислот,

воды и ряда неорганических ионов, а биополимеры и ряд необходимых для

их построения мономеров, как правило, отсутствуют. Таким образом,

клетка должна синтезировать все другие необходимые ей аминокислоты,

нуклеиновые кислоты, липиды, белки и другие вещества из имеющихся

простейших предшественников.

В клетке существует множество надмолекулярных структур таких,

как клеточная мембрана, которая, как уже говорилось ранее, представляет

собой сложное сочетание молекул многих типов, рибосомы, являющиеся

специфическим комплексом нескольких различных белков и нуклеиновых

кислот.

Во многих случаях ферменты, катализирующие несколько последо-

вательных химических реакций, объединены в одном ферментном ком-

плексе, в котором, по-видимому, обеспечивается максимальная эффектив-

ность использования различных промежуточных соединений. Последний

по сложности уровень организации, непосредственно предшествующий

самой клетке, занимают органоиды типа митохондрий и хлоропластов.

Общая схема локализации различных биологически важных соеди-

нений в наиболее простой клетке микроорганизма - прокариоты примерно

следующая. Небольшие молекулы типа аминокислот и простых сахаров, а

также некоторые, значительно большие молекулы, например ряд фермен-

тов и т-РНК, равномерно распределены по всему объему цитоплазмы. Дру-

гие биополимеры локализованы в определенных участках внутри клетки

или на ее поверхности, например на клеточной мембране.

Ферменты и их значение для биотехнологии

Связь между различными ионами, питательными веществами, про-

межуточными соединениями и другими составными частями клетки обыч-

но осуществляется с помощью разветвленной сети химических реакций,

которые являются биохимическими реакциями в живых организмах.

Большинство всех этих химических реакций катализируется фер-

ментами, которые обеспечивают их осуществление в мягких условиях,

способствующих сохранению конформации и конфигурации белков.

Ферменты (энзимы) занимают одно из ключевых мест в биотехноло-

гии. Известно, что все ферменты представляют собой белки.

В настоящее время число выделенных и охарактеризованных фер-

ментов достигло уже 1500, но на самом деле их существенно больше, так

как, например, единственная молекула ДНК, составляющая хромосому

E.coli, несет в себе информацию, достаточную для кодирования структур

от 3000 до 4500 различных белков.

Ферменты катализируют реакции шести основных типов, которые

лежат в основе системы классификации и условного цифрового обозначе-

ния этой группы веществ, рекомендованной Комиссией по ферментам

(КФ). Эта «официальная» система позволяет выразить в табличной форме

и классифицировать выполняемые ферментами разнообразные функции

(оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы),

хотя наряду с ней до сих пор используется и прежняя более традиционная

номенклатура ферментов.

Как известно, катализатором называют вещество, которое повышает

скорость химической реакции, не претерпевая при этом необратимых хи-

мических изменений. Повышая скорость химической реакции, катализатор

в то же время не нарушает равновесия реакции.

Для изучения какой-либо реакции и разработки соответствующего

технологического процесса необходимо располагать математическим вы-

ражением, определяющим скорость реакции, т. е. число молей вещества,

реагирующих в единицу времени в единице объема, в зависимости от со-

става, температуры, давления и других параметров реакционной смеси.

Аналогия между синтетическими катализаторами и ферментами не

заканчивается на принципах моделирования кинетики реакций. Математи-

ческие выражения, определяющие скорости реакций, катализируемых эти-

ми двумя типами катализаторов очень близки, а иногда даже идентичны.

Это объясняется тем, что в обоих случаях, как известно, в качестве проме-

жуточного соединения образуется тот или иной комплекс реагирующего

вещества (субстрата) с катализатором. Общий механизм каталитических

процессов, естественно, приводит к одинаковым выражениям для их ско-

ростей реакции.

В то же время нельзя забывать и о существенных различиях между

синтетическими катализаторами и ферментами: подавляющее большинст-

во синтетических катализаторов неспецифично в том смысле, что они мо-

гут катализировать аналогичные реакции с участием самых разнообразных

реагентов.

Некоторые ферменты также не отличаются высокой специфично-

стью, но многие катализируют только одно превращение весьма ограни-

ченного числа субстратов. Обычно степень специфичности фермента со-

ответствует его биологической функции. Высокая специфичность нежела-

тельна, например, для фермента, основная задача которого заключается в

гидролизе белков до небольших пептидов и аминокислот. Однако фермент,

катализирующий трансформацию одного конкретного соединения, должен

быть в высшей степени специфичным. Специфичность фермента обуслов-

лена его сложной объемной структурой, позволяющей создать в молекуле

фермента «замок», т.е. активный центр, ответственный за каталитические

свойства фермента.

Еще одним отличительным свойством многих ферментов является

наличие в их молекуле кофакторов, необходимых для проявления фер-

ментативной активности. Кофактором могут быть как органические, так и

неорганические соединения, т.е. соединения небелковой природы, кото-

рые, связываясь с неактивным белком - апоферментом, приводят к обра-

зованию активного комплекса. Последний биохимики часто называют га-

лоферментом или просто ферментом. Как уже отмечалось, существуют

два вида кофакторов: ионы металлов и сложные органические соединения,

например, витамины, нуклеозиды и др., которые получили название ко-

ферментов. В том случае, если кофакторы связаны с ферментом слабыми

нековалентными связями, то существует определенное равновесие между

ферментом, апоферментом и кофактором. Некоторые небелковые струк-

туры, прочно связанные с ферментом, также являются коферментами (на-

пример, гем в гемоглобине, миоглобине и цитохроме С). Они обычно носят

название простетических групп.

Как синтетические, так и биологические катализаторы в ходе выпол-

нения своей каталитической функции постепенно утрачивают активность,

но ферменты, как правило, гораздо менее долговечны. Сложная простран-

ственная структура ферментов, обуславливающая их необычайно высокие

специфичность и активность, легко нарушается, что приводит к потере

ферментом его каталитических свойств.

Часто утверждают, что ферменты более активны и существенно

сильнее увеличивают скорость реакции, чем синтетические катализаторы.

Однако следует помнить, что это утверждение относится к условиям, наи-

более благоприятным для действия фермента, например оптимальная тем-

пература и рН среды. При более высоких температурах или существенном

изменении рН среды структура белка обычно нарушается и фермент может

вообще утратить свою активность, тогда как синтетический катализатор

будет действовать еще в течение долгого времени.

Фермент-субстратные комплексы и механизм действия фермен-

тов. Не существует единой теории, объясняющей необычайно высокую

специфичность и активность биокатализаторов. В то же время в отноше-

нии небольшого числа ферментов был выдвинут ряд вполне вероятных ги-

потез, пытающихся подтвердить имеющиеся экспериментальные данные.

Поскольку все предлагаемые гипотезы только частично объясняют меха-

низм действия ферментов, исследователи до настоящего времени не могли

создать единой теории, объясняющей наличие ферментативной активности

к тем или иным субстратам.

Существование фермент-субстратных комплексов было доказано с

помощью различных экспериментальных методов, в том числе ренгеност-

руктурного анализа, спектроскопических методов и электронного пара-

магнитного резонанса. Субстрат связывается с ферментом в определенной

области молекулы фермента, так называемым

«активным центром» или

«замком», где осуществляется катализируемая ферментом реакция и обра-

зуются ее продукты. В связывании субстрата с ферментом и образовании

комплекса иногда принимают участие слабые взаимодействия, а иногда -

ковалентные связи. Например, реакция гидролиза п-нитрофенилового эфи-

ра уксусной кислотой проходит с образованием между ферментом и суб-

стратом ковалентной связи.

В состав активного центра ферментов входят остатки серина, аспара-

гиновой кислоты, цистеина, глутаминовой кислоты, гистидина, лизина, ме-

тионина и треонина. У ферментов с большой молекулярной массой может

быть несколько активных центров. Как показывают данные многочислен-

ных исследований, в конструировании активного центра принимают уча-

стие 7−8 аминокислотных остатков, остальные аминокислотные остатки,

не входящие в активный центр, определяют характер складывания поли-

пептидной цепи, т.е. вторичную структуру и пространственное расположе-

ние одной части цепи относительно другой, т.е. третичную структуру фер-

мента. В результате возникновения всех этих связей и создается конфор-

мация активного центра, напоминающего «замок».

Считается, что ферменты так связывают молекулы субстратов, что

последние занимают положение наиболее благоприятное для осуществле-

ния реакции, т.е. создается эффект ориентации субстрата, который и

обеспечивает ускорение реакции. Известно также, что связывание субстра-

та сопровождается небольшим пространственным изменением структуры

фермента. Такое индуцированное соответствие фермента и субстрата вно-

сит свой вклад в процесс ферментативного катализа.

Многие ферменты осуществляют реакции, хорошо известные в клас-

сической органической химии. Одной из таких реакций является общий

кислотно-основной катализ, в котором катализатор на одной стадии про-

цесса захватывает или отдает протон. Этот тип катализа, в частности, ле-

жит в основе механизма действия одного из немногих ферментов, для ко-

торых предложена достаточно убедительная последовательность элемен-

тарных стадий каталитического процесса. Таким ферментом является уже

известный нам химотрипсин. Считается, что в реакции химотрипсинового

катализа как при отщеплении, так и при присоединении протонов роль пе-

реносчика последних играет вода.

В ферментативном катализе важную роль могут играть и другие фак-

торы, например ковалентный катализ, деформация связей, электростатиче-

ский катализ, многофункциональный катализ и эффекты растворителя, на-

пример, структура масляной капли. Поскольку в общем случае, реакции

ферментативного катализа включают в себя множество эффектов, неуди-

вительно, что пока еще не удалось разработать простую общую схему, ко-

торая позволила бы оценить их суммарное влияние и относительную зна-

чимость каждого из них. Математические выражения для скоростей ката-

лизируемых ферментами реакций можно вывести, опираясь лишь на кон-

цепцию о фермент-субстратном комплексе как основном промежуточном

соединении.

Регуляция активности ферментов. Регулировать ферментативную

активность могут не только субстраты и образовавшиеся продукты, но и

другие вещества, которые называют модуляторами или эффекторами.

Эффекторы могут быть обычными компонентами клетки, но могут и

проникать в клетку из реакционной среды и действовать как на изолиро-

ванные ферменты, так и на ферментные комплексы. Модуляторы могут

быть ингибиторами или активаторами химической реакции. Обычно ин-

гибитор уменьшает активность ферментов, тогда как активатор будет ее

усиливать. Ингибиторы могут быть полностью обратимыми, частично об-

ратимыми или практически не обратимыми.

К числу известных необратимых ингибиторов принадлежат яды, на-

пример цианидный ион, полностью инактивирующий фермент ксантинок-

сидазу, а также группа соединений, называемых нервно-паралитическими

ядами. Последние необратимо инактивируют холинэстеразу - фермент,

участвующий в передаче нервных импульсов, и, таким образом, регули-

рующий двигательную функцию организмов.

Необратимый ингибитор, взятый в концентрации, превышающей эк-

вимолярную (по отношению к ферменту), может вначале не давать полно-

го ингибирования, но со временем степень ингибирования будет нарастать,

так как действию ингибитора будет подвергаться все большее и большее

число молекул фермента. Остальные молекулы фермента, не успевшие

прореагировать с ингибитором, будут, однако, сохранять при этом полную

активность. Возможен и другой вариант, при котором необратимый инги-

битор «портит» молекулу фермента, несколько модифицируя его химиче-

скую структуру. В этом случае модифицированный фермент сохраняет

способность функционировать, но активность его оказывается понижен-

ной.

Один из широко известных типов необратимого ингибирования - это

действие алкилирующих агентов (например, йодацетамида), необратимо

реагирующего с активными -SH-группами фермента. Необратимость дей-

ствия связана с тем, что в реакции

E - SH + ICH₂CONH₂

→ E-S-CH₂CONH₂ + HI

равновесие сильно смещено вправо, т.е. в сторону образования ковалент-

ного производного фермента.

Необратимым ингибитором является также диизопропилфторфосфат

(ДФФ). Этот ингибитор относится к классу токсичных фосфорорганиче-

ских соединений, которые входят в группу нервных ядов, инактивируя

ацетилхолинэстеразу.

Помимо ацетилхолинэстеразы, ДФФ ингибирует и ряд ферментов, у

которых в активном центре имеется важный для ферментативной актив-

ность остаток серина. Ингибитор присоединяется к гидроксильной группе

этого остатка серина, в результате чего образуется неактивное ДФФ-

производное фермента, которое достаточно устойчиво и лишь с трудом

поддается гидролизу. К ферментам, для которых ДФФ является необрати-

мым ингибитором, относятся уже известные нам химотрипсин, трипсин,

тромбин, эластаза, фосфоглюкомутаза и фосфорилаза.

Влияние рН на активность фермента. Известно, что аминокислоты

могут быть основными (лизин, аргинин, гистидин, орнитин), кислыми (ас-

парагиновая и глутаминовая кислоты) и нейтральными (все остальные

аминокислоты). Поэтому фермент, в молекулу которого входят все эти

аминокислоты, при любом заданном значении может содержать как поло-

жительно, так и отрицательно заряженные группы. В том случае, когда по-

ложительные и отрицательные заряды фермента уравновешены, считается

что фермент находится в изоэлектрической точке.

Заряженные группировки часто входят в состав активного центра

ферментов, так как в основе целого ряда механизмов ферментативного ка-

тализа лежит катализ кислотного или основного типов. Необходимым ус-

ловием для осуществления кислотного или основного катализа может быть

наличие определенного заряда на ионизируемых группах активного цен-

тра. Отсюда следует, что каталитически активная форма фермента сущест-

вует только в одном, строго определенном, состоянии ионизации. В зави-

симости от рН окружающей среды в это состояние может превращаться

большая или меньшая часть всего имеющегося в смеси фермента.

Для большинства ферментов имеется определенное значение рН, при

котором их активность максимальна; выше и ниже этого значения рН ак-

тивность этих ферментов может быть меньше.

Значение рН, соответствующее максимальной активности фермента,

не обязательно совпадает со значением рН, характерным для нормального

внутриклеточного окружения этого фермента, оно может быть как выше,

так и ниже оптимума рН. Это позволяет предположить, что влияние рН на

активность фермента может быть одним из факторов, ответственных за ре-

гулирование ферментативной активности внутри клетки. Поскольку в

клетке содержатся сотни ферментов, и каждый из них по-разному реагиру-

ет на изменения рН, значение рН внутри клетки является, возможно, одним

из важных элементов в сложной системе регуляции клеточного механизма.

Оптимум рН некоторых ферментов, катализирующих превращение

отдельных субстратов, как правило, различается значительно: пепсин -

яичный альбумин рН_опт = 1,5; пепсин - гемоглобин рН_опт = 2,2; трипсин -

бензоиларгининамид рН_опт = 7,7; каталаза - H₂O₂ рН_опт = 7,6; аргиназа -

аргинин рН_опт = 9,7.

Влияние температуры на скорость ферментативных реакций.

Ферменты обладают наибольшей эффективностью при температуре чело-

веческого тела, т. е. приблизительно при 37 ^оС.

Как правило, до температуры денатурации белков, т.е. до температу-

ры 45…60 ^оС большинство ферментов подчиняется уравнению Аррениуса

и ускоряет реакции при повышении температуры от 20 до 50 ^оС. При тем-

пературах выше 50 - 60 ^оС многие ферменты разрушаются и поэтому ста-

новятся неактивными.

Методы стабилизации ферментов. Помимо поиска более устойчи-

вых природных форм существует ряд методов повышения стабильности

уже известных ферментов или ферментных препаратов. Эти методы можно

разделить на три основные группы:

а) добавление стабилизирующих веществ к среде, в которой хранит-

ся фермент или проводится ферментативная реакция;

б) химическая модификация растворимого белка;

в) иммобилизация белка на поверхности либо во всем объеме нерас-

творимого твердого носителя или матрицы.

К веществам, повышающим устойчивость белков, относятся суб-

страты, органические растворители и соли. Поскольку активный центр

фермента часто представляет собой одновременно и наиболее лабильный

участок его молекулы, то присутствие субстрата может стабилизировать

фермент путем закрепления части молекулы белка в виде фермент-

субстратного комплекса. С другой стороны, известны случаи дестаби-

лизации ферментов соответствующими субстратами. Растворители типа

многоатомных спиртов, стабилизирующие некоторые ферменты, возмож-

но, повышают устойчивость внутримолекулярных водородных связей бел-

ка. При низких концентрациях солей (< 0,1 М) ряд катионов, например,

Са²⁺, Zn²⁺, Mn²⁺, Fe²⁺, Mo²⁺ и Cu²⁺, специфично взаимодействуют с особы-

ми ферментами, называемыми металлоферментами. Как уже отмечалось

ранее, некоторые из перечисленных катионов являются кофакторами, и их

присутствие стабилизирует фермент. Катион Са²⁺ участвует в стабилиза-

ции третичной структуры ряда белков. Образуя ионные связи с двумя раз-

личными аминокислотными остатками, ионы Са²⁺ могут выполнять функ-

цию стабилизирующего мостика аналогично дисульфидным связям.

Следует подчеркнуть, что влияние данного вещества или фактора на

стабильность какого-либо фермента не всегда означает, что это вещество

или фактор будут таким же образом действовать и на другие ферменты. С

другой стороны, стабилизирующий эффект часто проявляется только при

определенном сочетании раствора и температуры. Например, добавление

небольших количеств солей стабилизирует ферменты, а более высокие

концентрации тех же солей обычно вызывают их денатурацию. Это прави-

ло относится и к органическим растворителям.

Для повышения стабильности ферментов сравнительно успешно ис-

пользовался также такой важный инструмент биохимических исследова-

ний, как химическая модификация белков. В одном из вариантов этого ме-

тода модификации подвергают боковые цепи остатков некоторых амино-

кислот, например путем ацилирования, восстановительного алкилирования

или конденсации аминогрупп нативного белка с боковыми цепями поли-

аминокислот.

Другой вариант химических методов стабилизации белков основан

на применении бифункциональных реагентов, например глутарового ди-

альдегида. Такие реагенты образуют поперечные связи между аминогруп-

пами белка и тем самым, во-первых, затрудняют доступ протеаз к белку и,

во-вторых, могут закреплять активную конформацию белковых молекул.

Для химической стабилизации могут применяться и диамиды, связываю-

щие поперечными амидными связями аминные и карбоксильные группы.

Решение типовых задач

Задача 12.1. Для производства генно-инженерного инсулина исполь-

зуют рекомбинантные клетки E.coli с введенными плазмидами, позволяю-

щими процессировать в клетках рекомбинантный белок в процессе их

культивирования в ферментере. Рассчитать выход инсулина, зная, что мо-

лярная масса рекомбинантного белка равна 17000 дальтон, аминокислот-

ная последовательность инсулина в нем составляет около 6000 Да, доля

рекомбинантного белка в общей массе белков клетки равна 30 %, содержа-

ние белка в сырой клетке - обычно около 15 %, а концентрация клеток в

ферментационной среде достигает 20 г/л.

Р е ш е н и е. В 1 л ферментационной среды содержится 20 г/л сырых

клеток E.coli , что соответствует концентрации клеточного белка 20·0,15 =

3 г/л суммарного белка. Т.к. известна доля рекомбинантного белка (30 %),

то его содержание составляет 3·0,3 = 0,9 г/л. Молярная масса рекомби-

нантного белка равна 17000 Да, инсулина - 6000 Да, т.е. доля инсулина со-

ставляет 6000:17000 = 0,353. Соответственно содержание инсулина равно

0,9·0,353 = 0,318 г/л. Т.е. при использовании для культивирования данного

штамма можно получать 0,3 г инсулина с каждого литра среды, при усло-

вии отсутствия потерь на стадиях выделения продукта (теоретический вы-

ход).

Ответ: теоретический выход инсулина составляет 0,3 г/л фермента-

ционной среды.

Задача 12.2. В реакции второго порядка А + В -> С в начальный мо-

мент концентрация вещества А была равна 5,0 ммоль/л, а концентрация

вещества В - 4,0 ммоль/л. Спустя 1 с концентрация вещества А стала рав-

ной 4,0 ммоль/л, а концентрация вещества В - 3,0 ммоль/л. Каким будет

отношение концентраций веществ А и В спустя 3 с?

Контрольные задачи

12.1. Рассчитать число молекул липидов в клетке Е.coli, исходя из

допущения, что средняя молекулярная масса липидов равна 700 дальтон

(1 Да = 1,67∙10^-24 г) и что липиды составляют 2 % общей сырой массы

клетки Е.coli, которая равна в среднем 2∙10^-12г.

Ответ: 3,44∙10⁷ молекул.

12.2. Исходя из допущения, что в клетке содержится 3000 различных

типов белков (мол. масса 30000), присутствующих в эквимолекулярных

количествах, и что 15 % от общей массы клетки составляет белок, причём

90 % этого белка сосредоточено в цитоплазме, вычислить:

а) молярную концентрацию каждого типа белка в цитоплазме;

б) общую концентрацию белка в цитоплазме в молях на литр;

в) общую концентрацию белка в цитоплазме в граммах на литр.

Ответ: а) 1,91∙10^-6 М; б) 5,74∙10^-3 М; в) 172 г∙л ^-1.

12.3. Единичная молекула ДНК в хромосоме Е.соli

(мол. масса

2,8∙10⁹) содержит около 4,5 млн. мононуклеотидных единиц, длина каждой

из них составляет примерно 0,34 нм. Вычислить общую длину этой моле-

кулы ДНК и сравнить её с длиной клетки Е.соli (длина клетки Е.соli равна

около 2∙10³ нм).

Ответ: 15,3∙10² мкм, в 765 раз больше длины клетки.

12.4. Какая доля (в процентах) объёма клетки Е.соli приходится на её

15000 рибосом, имеющих условно сферическую форму, если общее число

рибосом в клетке составляет 2,5·10⁴, а их диаметр составляет примерно

18 нм? Ответ: 4,86 %.

12.8. Вычислить общую длину всех полипептидных цепей одной

клетки Е.соli, содержащей 10⁶ молекул белка, каждая из которых имеет

молекулярную массу 40 000. Считать при этом, что все белковые молеку-

лы находятся в конфигурации α-спирали, принимая, что средняя молеку-

лярная масса одного аминокислотного остатка - 120, а на один аминокис-

лотный остаток приходится 1,5 Å. Ответ: 4,95 см.

12.9. В клетке Е.соli имеется около 25 000 рибосом. Если полностью

растянуть полипептидные цепи структурных белков этих рибосом, т.е.

примерно в 1,5 раза от нормы (см. предыдущую задачу) и соединить их

конец в конец, то сколько раз можно было бы обернуть клетку Е.соli такой

цепью? Считать, что диаметр рибосом равен 180 Å, их плотность равна 1,0,

а содержание белка в рибосомах составляет 40 %. Считать также, что клет-

ка Е.соli представляет собой шар диаметром 1 мкм.

Ответ: 17 500 раз.

12.10. Вычислить плотность компактно скрученной молекулы тропо-

коллагена, которую можно условно считать цилиндром длиной 2800 Å и

диаметром 14 Å. Эта молекула состоит из трёх полипептидных цепей, ка-

ждая из которых содержит 1 000 аминокислотных остатков, имеющих мас-

су по 120 дальтон. Ответ: 1,39 г∙см^-3.

12.11. Диаметр клетки Е.соli, которую в первом приближении можно

рассматривать как цилиндр, составляет 1,0 мкм, а длина - 2,0 мкм. Содер-

жание воды в ней равно 80 %. Рассчитать условное число ионов Н⁺ в одной

клетке, исходя из предположения, что величина внутриклеточного рН рав-

на 6,4. Ответ: 302.

12.12. Полипептидная цепь данного белка на одних участках имеет

α-спиральную форму, а на других - β-конфигурацию. Молекулярная масса

белка равна 240 000, а длина контура полипептидной цепи составляет

5,06·10^-5 см. Рассчитать какую часть молекулы занимают α-спиральные

участки, если на них приходится 85 % массы молекулы. Ответ: 51 %.

12.13. В табл. 12.2 приведены начальные скорости каталилизируемой

ферментом реакции при различных концентрациях субстрата. Вычислить:

а) υ_max и К_m методом Лайнуивера-Берка;

б) те же величины графически в координатах Эди-Хофсти;

в) стандартные отклонения наклонов прямых и отсекаемых на ко-

ординатных осях отрезков для каждого метода.

12.14. Ферментативная реакция протекает в реакторе периодического

действия. Фермент с К_m=1∙10^-3 М инкубировали с субстратом при началь-

ной концентрации последнего 3∙10^-5 М. Через 2 мин прореагировало 5 %

субстрата. Какое количество субстрата будет трансформировано в течение

10, 30 и 60 мин?

12.15. В реакции первого порядка А → В концентрация вещества А в

начальный момент была равна 0,50 мМ. Спустя 2 секунды она стала рав-

ной

0,25 мМ. Какой она станет спустя 5 с? Ответ: 0,089 Мм.

12.16. В реакции второго порядка А + В→ С в начальный момент

концентрация вещества А была равна 10,0 мМ, а концентрация вещества В

8,0 мМ. Спустя 2 с концентрация вещества А стала равной 8,0 мМ, а

концентрация вещества В - 6,0 мМ. Каким будет отношение концентраций

веществ А и В спустя 6 с?

12.17. Полупериод реакции первого порядка равен 0,3 с; чему равна

константа скорости k? Ответ: 2,31 с^-1.

12.18. Показать, что для ферментативной реакции величина К_m чис-

ленно равна концентрации субстрата, при которой скорость реакции вдвое

меньше максимальной.

12.19. К раствору чистого фермента, содержащего 1,0 мг в 1 мл рас-

твора, добавили АgNO₃ в количестве, как раз достаточном для полной

инактивации фермента. Для этого потребовалось 0,342 мкМ АgNO₃. Вы-

числите минимальную молекулярную массу фермента в дальтонах.

Ответ: 2920000 дальтон.