Основы биохимии Том 1 - А. Ленинджер 1985

Биомолекулы
Состав живой материи: биомолекулы
Многие биомолекулы асимметричны

Тетраэдрическое расположение одинарных связей, образуемых атомом углерода, придает некоторым органическим соединениям еще одно замечательное свойство, имеющее исключительно важное значение в биологии. Во всех случаях, когда в молекуле органического соединения атом углерода связан с четырьмя разными атомами или функциональными группами, говорят, что этот атом асимметричен, поскольку он может существовать в двух изомерных формах, называемых энантиомерами, различающимися своей пространственной конфигурацией. Как показано на рис. 3-8, энантиомеры относятся друг к другу как предмет и несовместимое с ним зеркальное отражение его. Энантиомеры, называемые также оптическими изомерами, или стереоизомерами, в химических реакциях ведут себя одинаково, но различаются по весьма характерному физическому свойству, а именно по способности вращать плоскость поляризации плоско-поляризованного света. Если раствор, содержащий энантиомер одного типа, вращает плоскость поляризации вправо, то раствор энантиомера другого типа будет вращать плоскость поляризации влево; угол вращения можно измерить при помощи поляриметра. Соединения, молекулы которых не содержат асимметрических атомов углерода, не способны вращать плоскость поляризации плоско- поляризованного света.

Изображенная на рис. 3-8 аминокислота аланин представляет собой асимметрическую молекулу, поскольку ее центральный атом углерода имеет четыре различных заместителя: метильную группу, аминогруппу, карбоксильную группу и атом водорода. В дальнейшем мы увидим, что два энантиомера аланина в структурном отношении являются несовместимыми между собой зеркальными отражениями друг друга. Эти две формы аланина относятся одна к другой так же, как правая рука к левой, а по нашему опыту мы хорошо знаем, что на правую руку нельзя надеть перчатку для левой руки. Поскольку соединения с асимметрическими атомами углерода встречаются в двух формах, которые можно рассматривать как левые и правые, они получили название хиральных соединений (от греческого слова "chiros», что значит рука). Соответственно центральный, или асимметрический, атом хиральных соединений называют хиральным атомом, или хиральным центром.

Кроме аминокислот многие другие органические биомолекулы аминокислот также обладают хиральными свойствами и содержат один или большее число асимметрических атомов углерода. Примером таких соединений может служить широко распространенный сахар глюкоза, в молекуле которой содержится не менее пяти асимметрических атомов углерода. В живых организмах хиральные молекулы присутствуют обычно только в одной из двух возможных форм. Так, аминокислоты, и в частности аланин, встречаются в белках только в одной хиральной форме. Аналогичным образом глюкоза, основная структурная единица крахмала, обнаруживается в биологических объектах только в одной из своих многочисленных хиральных форм. Наоборот, когда химик в лабораторных условиях синтезирует органическое соединение с одним асимметрическим атомом углерода, используя обычные небиологические реакции, с равной вероятностью образуются обе возможные хиральные формы, в результате чего получается эквимолярная смесь двух энантиомеров. Разделить эти две хиральные формы в такой смеси можно лишь при помощи специальных физических методов. В живых клетках хиральные биомолекулы синтезируются с участием ферментов таким образом, что возникает только один из двух возможных энантиомеров. Это происходит потому, что сами молекулы ферментов имеют хиральную структуру.

Рис. 3-8. Хиральные молекулы. А. Если атом углерода связан с четырьмя разными группами или атомами (А, В, X, Y), то последние могут быть расположены двумя способами; при этом образуются две структуры, представляющие собой несовместимые зеркальные отражения друг друга. Такой атом углерода является асимметрическим; он называется хиральным атомом, или хиральным центром. Б. Когда атом углерода связан только с тремя различными группами или атомами, возможна лишь одна пространственная конфигурация; такая молекула является симметрической или ахиральной. В этом случае молекулу также можно представить как два зеркальных отражения, которые, однако, совместимы друг с другом. Если молекулу, изображенную на рисунке слева, повернуть против часовой стрелки (ось вращения проходит сверху вниз через атом А), то она совместится с молекулой, изображенной справа. В. Аланин представляет собой хиральную молекулу, поскольку центральный атом углерода в ней связан с четырьмя разными заместителями; это допускает существование двух структур, представляющих несовместимые между собой зеркальные отражения друг друга. Две разные хиральные формы аланина называют D-аланином и L-аланином. Вопрос о физическом смысле букв D и L, используемых для обозначения хиральных форм асимметрических молекул, рассматривается в гл. 5.

Стереоспецифичность, свойственная многим биомолекулам, - это характерная особенность молекулярной логики живых клеток, которая еще раз убедительно подтверждает, что трехмерная структура биомолекул имеет чрезвычайно важное значение для их биологических функций. Более подробно мы рассмотрим хиральные молекулы и явление стереоизомерии, когда будем знакомиться с аминокислотами (гл. 5) и сахарами (гл. 11).