Основы биохимии. Общая химия
Биомолекулы
А. Важнейшие классы
соединений
Подавляющее большинство биомолекул являются
производными более простых соединений четырех химических элементов-неметаллов:
кислорода (О), азота (N), серы (S) и фосфора (P).
Многие биохимически важные соединения кислорода, азота и серы могут
рассматриваться как производные водорода (Н2О, NH3,
H2S). В биологических системах фосфор встречается главным образом в
форме производных фосфорной кислоты H3PO4.
При замене одного или нескольких атомов водорода в указанных
выше соединениях на группировку R, например на алкильную группу, получают производные
типа R-XHn-1, R—XHn-2—R' и т.д. Так, например, спирты
(R-OH) и простые эфиры (R-O-R') формально можно рассматривать как производные
воды, первичные (R—NH2), вторичные (R-NH-R') и третичные (R-N==R'R")
амины -как производные аммиака, а тиоспирты (R-SH) - как производные сероводорода.
Многие органические вещества содержат полярные группировки, такие, как —ОН и
—NH2. Поскольку эти группировки существенно более реакционноспособны
по сравнению с углеводородными боковыми цепями, они носят название функциональных
групп.
Новые функциональные группы образуются при
окислении приведенных выше соединений. Так, при окислении тиоспиртов
образуются дисульфиды (R—S-S—R'), при окислении первичных спиртов
(RCH2-OH) - альдегиды ((R—СО—H), а затем карбоновые кислоты
(R-COOH), а при окислении вторичных спиртов - кетоны (R-CO-R'). Для
этих кислородсодержащих соединений характерно наличие карбонильной группы
(С==О).
Присоединение спиртов по карбонильной группе
альдегидов приводит к образованию полуацеталей (R-O-CHOH-R'). Примеры
полуацеталей - циклические формы моносахаридов (см. с. 42). Окисление
полуацеталей приводит к получению эфиров карбоновых кислот.
Особенно важное значение имеют карбоновые
кислоты и их производные, которые формально образуются путем замены
OH-группы на другие группировки. В действительности они получаются в результате
нуклеофильного замещения активированных промежуточных соединений с отщеплением
молекулы воды (см. с. 30). Так, из карбоновых кислот и спиртов образуются
сложные эфиры (R—О—СО—R'), например жиры (см. с. 54). Аналогичным образом
из карбоновых кислот и тиоспиртов получаются тиоэфиры (R—S—CO-R').
Последние играют важную роль в метаболизме карбоновых кислот. Известным
соединением этого типа является ацетилкофермент А (ацетил-КоА) (см. с.
58).
Продуктом конденсации карбоновых кислот и
первичных аминов являются амиды карбоновых кислот (R-NH-СО—R'). Поскольку
остатки аминокислот в пептидах и белках связаны амидной связью, этот тип связи
носит название пептидной (см. с. 72).
Фосфорная кислота
Н3РO4 - трехосновная кислота, т. е. содержит три
гидроксильные группы, способные отдавать три Н+-иона. В
физиологических условиях по крайней мере одна из трех групп полностью
диссоциирована. Другие две группы могут быть связаны со спиртами фосфоэфирной
связью, образуя монозамещенные RO-PO(OH)2 и,
соответственно, дизамещенные эфиры RO-PO(OH)-OR' фосфорной кислоты.
Монозамещенные эфиры принимают участие в метаболизме углеводов,
афосфодиэфирные группы присутствуют в липидах (см. с. 56) и нуклеиновых кислотах
(см. с. 88).
При взаимодействии двух молекул кислот
образуются ангидриды, причем образование ангидридной связи требует
больших затрат энергии. Поэтому фосфоангидридные связи играют очень важную роль
в клетке, обеспечивая накопление и высвобождение химической энергии (см. с.
124). Смешанные ангидриды карбоновых и фосфорной кислот также являются
макроэргическими соединениями, принимающими участие в клеточном
метаболизме.