Биохимические основы жизнедеятельности организма человека - Волков Н.И., Несен Э.Н. 2000

Биохимические основы жизнедеятельности организма человека
Введение в биохимию
Химическое строение организма человека

В состав организма человека входят органические и неорганические ве­щества (рис. 4). Вода составляет около 60 % массы тела, а минеральные вещества — в среднем 4 %. Органические вещества представлены в ос­новном белками (18 %), жирами (15 %) и углеводами (2—3 %). Все вещес­тва организма, как и неживой природы, построены из атомов различных химических элементов.

Химические элементы организма

В состав организма человека из 110 известных химических элементов вхо­дит в основном 24 (табл. 1). В зависимости от количества в организме химические элементы делятся на основные, макро-, микро- и ультра­микроэлементы. К основным относятся кислород (65—70 %), углерод (15—18%), водород (8—10%) и азот (2—3%), составляющие примерно 98 % общей массы тела. К макроэлементам относятся элементы, содер­жание которых в организме составляет не менее 0,1 % массы тела (Ca, Р, S, К, Cl, Na, Mg). Вместе на их долю приходится 99,9 % массы тела. К мик­роэлементам относятся такие элементы, содержание которых составляет не менее 0,001 % общей массы тела (Cu, Si, Mn, Со и др.). Если содержа­ние химического элемента в организме меньше 0,001 % массы тела, то он относится к ультрамикроэлементам.

Рис. 4 Относительный химический состав организма человека

ТАБЛИЦА 1 Химические элементы, которые входят в состав организма человека

Химические элементы, используемые для образования веществ орга­низма, обладают следующими свойствами:

✵ атомы их небольшие по размеру, поэтому образуют компактные мо­лекулы, способные проникать через клеточные мембраны;

✵ легко вступают в химические взаимодействия, образуя прочные ко­валентные связи в молекулах веществ;

✵ соединения их хорошо растворяются в воде и легко усваиваются ор­ганизмом;

✵ отдельные элементы (Р, S, N) могут образовывать лабильные хими­ческие связи, богатые энергией, и участвовать в биохимических реакциях, связанных с накоплением и освобождением энергии;

✵ способность атома углерода образовывать углерод-углеродные свя­зи создает возможность быстрого превращения различных органических соединений в организме.

Отдельные химические элементы неравномерно накапливаются в различных органах и тканях организма. Так, например, костная ткань на­капливает кальций и фосфор, кровь — железо, щитовидная железа — йод, печень — медь, кожа — стронций и т. д. Количественный и качес­твенный состав химических элементов организма зависит как от внеш­них факторов среды (питания, экологии и др.), так и от функций отдель­ных органов.

Органические вещества

В организме человека большая часть химических веществ представле­на разнообразными органическими соединениями. Органические ве­щества — это углеродистые соединения. у которых атомы углерода сое­динены между собой и с другими атомами (Н, О, N, Р, S) или группами атомов.

В состав организма входят низкомолекулярные (простые) и высоко­молекулярные (сложные) органические вещества. Разнообразные высо­комолекулярные соединения организма, его клеточные структуры состо­ят из небольшого количества простых низкомолекулярных органических соединений, которые поступают в организм из внешней среды либо син­тезируются в организме. Такими соединениями являются аминокислоты, азотистые основания, глюкоза, жирные кислоты. Эти вещества выполня­ют в организме и многие самостоятельные функции. Для образования высокомолекулярных соединений используются следующие простые мо­лекулы:

Основными высокомолекулярными соединениями организма человека являются макромолекулы белков и нуклеиновых кислот, а также углеводов и липидов. Они имеют определенное химическое строение, от которого зависят их свойства и биологическая роль в организме.

Строение органических соединений. Во всех органических соедине­ниях атом углерода (С) проявляет валентность 4. Он способен образовы­вать спаренные орбитали с четырьмя электронами других атомов, чаще всего углерода, водорода или кислорода. При этом образуется четыре па­ры электронов, принадлежащих обоим атомам, как видно на примере электронной формулы уксусной кислоты:

В структурных формулах общая электронная пара, образующая химичес­кую связь, записывается в виде черточки.

Особенность электронного строения атома позволяет углероду обра­зовывать бесконечное разнообразие углерод-углеродных связей:

При этом образуются линейные, разветвленные и замкнутые (цикли­ческие) углеродные цепи, которые являются скелетом органических сое­динений. Если при взаимодействии атомов углерода друг с другом затра­чивается одна единица валентности, а все остальные заполнены другими атомами, то такие соединения называются насыщенными (предельными). Атомы углерода могут образовывать между собой двойные и тройные свя­зи. Такие соединения называются ненасыщенными (непредельными):

Линейную структуру углеродного скелета имеют многие органические кислоты, входящие в состав организма человека, например жирная паль­митиновая кислота (С₁₆Н₃₂О₂):

Разветвленную структуру имеют отдельные аминокислоты, а также витамины и некоторые другие вещества, например аминокислота валин:

Органические вещества, которые имеют линейную или разветвленную углеродную цепь, называются ациклическими, а замкнутую углеродную цепь — циклическими.

Циклические, или замкнутые углеродные цепи могут иметь различное количество атомов углерода, быть насыщенными или ненасыщенными, а также включать атомы других химических элементов. Циклические органи­ческие соединения, в циклах которых содержатся только атомы углерода, называются карбоциклическими. Если же в углеродный скелет включены другие атомы — N, S, О, то такие вещества называются гетероцикличес­кими.

В состав многих карбоциклических соединений входят циклы следую­щих веществ:

В состав гетероциклических соединений организма, а также антибио­тиков, витаминов и некоторых фармакологических препаратов входят цик­лы пиррола, пиримидина, пурина, тиофена:

Пиррол является компонентом гемоглобина и витамина В₁₂, пирими­дин и пурин — компонентами нуклеиновых кислот и АТФ, тиофен — ком­понентом витамина Н.

Атомы углерода в органических соединениях способны взаимодей­ствовать с определенными группами атомов — так называемыми функци­ональными группами.

Функциональные группы — это группы атомов, присутствие которых в молекулах придает веществу характерные для данного класса химические свойства. Основные функциональные группы и соответствующие им клас­сы органических веществ представлены в табл. 2. Наличие в веществах определенных функциональных групп влияет на проявление их биологи­ческой активности, выполнение конкретной функции.

Свойства органических веществ, их способность вступать в реакции обмена зависят от типа химической связи атомов в молекуле.

Типы химических связей. Связь между атомами в молекуле или тип химической связи в веществе влияет на его свойства и биологическую роль.

В молекулах органических веществ основным типом химической связи является ковалентная. Возможны также ионная, водородная и другие хи­мические связи.

Ковалентная связь образуется между атомами за счет образования общих электронных пар. Это самая прочная химическая связь. Для разрыва ковалентной связи требуется затратить энергию, равную 83 ккал ∙ моль^-1. Поэтому углеродные скелеты органических соединении относительно стабильны при отсутствии притока энергии. Ковалентная связь в структурных формулах соединений обозначается черточкой (-).

ТАБЛИЦА 2 Основные функциональные группы и классы органических веществ

В отдельных органических веществах существует менее прочная кова­лентная связь, при разрыве которой высвобождается свободная энергия (около 7 ккал). Такая связь условно называется макроэргической и ха­рактерна для веществ, которые выполняют энергетическую функцию в клетках организма: АТФ, АДФ, креатинфосфата и др. Макроэргическая связь в соединениях обозначается знаком "тильда" (—). В молекуле АТФ имеется две такие связи: аденозин — Р—Р —Р.

Ионная связь образуется между противоположно заряженными ио­нами за счет их электростатического притяжения. Такая связь характерна, например, для хлорида натрия (пищевая соль):

В водной среде вещества с ионной связью легко диссоциируют на по­ложительно заряженные ионы — катионы и отрицательно заряженные ионы — анионы. В составе живого организма имеется сравнительно небольшое количество соединений с ионной связью.

Водородная связь образуется за счет электростатического притяжения положительно заряженного атома водорода и отрицательно заряженных атомов кислорода, азота и других элементов. Эта связь обозначается пунктиром:

Водородные связи могут быть межмолекулярными и внутримолекуляр­ными. За счет водородных связей происходит объединение молекул в большие агрегаты, например в молекулы воды (см. главу 4). Кроме того, они участвуют в образовании и стабилизации пространственных структур белков и нуклеиновых кислот. Водородная связь относительно непрочная, ее энергия распада составляет около 5 ккал ∙ моль^-1. Она может легко разрываться. При этом происходит распад соединений или изменения структуры (конформации) макромолекул. Конформационные изменения в макромолекулах органических веществ лежат в основе проявления их биологических функций. Так, например, сокращение мышц происходит благодаря конформационным изменениям сократительных белков.

Формулы молекул органических веществ. Все вещества в химии записываются молекулярными (эмпирическими) формулами, которые от­ражают качественный и количественный состав вещества.

В биологической химии используются в основном структурные форму­лы веществ, в которых отражен порядок расположения атомов и функцио­нальных групп в молекуле. Так, глюкозу (С₆Н₁₂О₆) можно записать в виде структурной линейной и циклической формул

Молекулы многих органических веществ можно рассматривать как со­единение радикала и функциональной группы. Радикал (R) — это остаток молекулы вещества, который при превращениях переходит в молекулы дру­гих веществ без нарушения порядка соединения атомов. Так, например, в молекулах жирных кислот разные радикалы соединены с карбоксильной группой (-СООН), которая может изменяться без изменения радикала:

Поэтому часто общие формулы органических веществ записываются как радикал и функциональная группа. Так, общую формулу аминокислот за­писывают в виде

Изомерия органических соединений. Для органических соединений характерно существование целого ряда веществ, которые имеют одинаковый химический состав и молекулярную массу, но различаются строени­ем молекулы или порядком соединения атомов в ней. Такие вещества на­зываются изомерами. Различаются они химическими свойствами. Сущес­твует два основных вида изомерии — структурная и стереоизомерия.

Структурная изомерия отражает разную последовательность соедине­ния атомов в органическом веществе. Так, молекулы глюкозы и фруктозы различаются положением функциональных групп в углеродной цепи и яв­ляются примером изомерии положения:

Стереоизомерия характерна для молекул органических веществ, име­ющих асимметрический атом углерода (*), который связан с четырьмя раз­личными атомами или группами атомов, по-разному расположенными в пространстве. Стереоизомеры оптически активны и способны поляризо­вать луч света. Выделяют правовращающие — D-изомеры и левовращаю­щие — L-изомеры, которые различаются пространственным расположени­ем гидроксила (ОН) по отношению к асимметрическому атому углерода:

Явление изомерии имеет большое биологическое значение, так как уг­леводы, аминокислоты, белки являются оптически активными веществами и избирательно используются организмом. Так, при синтезе белка исполь­зуются только L-изомеры аминокислот; D-изомеры аминокислот иногда встречаются в злокачественных опухолях. Основные углеводы — глюкоза и фруктоза — представлены в организме D-изомерами.

Классификация органических веществ. Наличие огромного коли­чества органических соединений требует стройной системы их классифи­кации. Существует несколько классификаций в зависимости от принципа, положенного в ее основу. Органические вещества классифицируют по строению углеродной цепи, наличию функциональных групп, выполняемым в организме биологическим функциям.

По строению углеродной цепи органические вещества разделяются на два класса и несколько подклассов:

По наличию функциональных групп, придающих веществу опреде­ленные химические свойства, органические вещества делят на классы (см. табл. 2).

В биохимии используется классификация органических веществ, в ос­нову которой положены выполняемые ими биологические функции в орга­низме. Выделяют четыре основных класса органических веществ: углево­ды, липиды, белки и нуклеиновые кислоты.

Превращение этих веществ в организме и их роль в мышечной дея­тельности рассмотрены далее. В их метаболизме участвуют также витами­ны, гормоны, ферменты, нуклеотиды, фосфатсодержащие соединения и другие вещества.

Неорганические вещества

К неорганическим веществам организма относятся вода и минеральные ве­щества. Вода не является питательным веществом, однако играет важную роль в обеспечении высокой физической работоспособности организма.

Минеральные вещества составляют 4—10% массы тела. Они пред­ставлены в организме либо в виде свободных катионов и анионов (Са²⁺, Mg²⁺, Na⁺, К⁺, Сl^-), либо в связанном состоянии в составе органических и неорганических веществ. Роль воды и минеральных веществ, особенности их обмена в организме человека при мышечной деятельности рассмотре­ны в главе 4.

В отдельных клетках организма образуются такие неорганические вещества, как соляная кислота (НСl в клетках желудка), аммиак (NH₃), углекислый газ (СJ₂) и др. Соляная кислота необходима для процессов пищеварения белков, аммиак и углекислый газ являются конечными про­дуктами обмена веществ. Они либо выводятся из организма, либо исполь­зуются в биосинтезе отдельных органических веществ (мочевины, амино­кислот).