Введение в макромолекулы

Вспомните, что у вас было на обед. Были ли на каких-нибудь продуктах этикетки с информацией об энергетической ценности и питательных веществах? Если да, и если вы обращали внимание на содержание белков, жиров и углеводов в пище, то, возможно, вы уже знакомы с несколькими типами больших биологических молекул, о которых пойдет речь в этой статье. У вас может возникнуть вопрос: «Что в моей еде делают какие-то странные «большие биомолекулы»»? И ответить на него можно так: они поставляют строительные блоки для поддержания вашего организма, ведь ваше тело также состоит из больших биологических молекул!

Так же, как вас можно представить в виде набора атомов или ходящего и говорящего мешка с водой, можно считать вас набором из четырёх основных типов больших биомолекул: углеводов (например, сахаров), липидов (жиров), белков (протеинов) и нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). Это не значит, что других молекул в вашем теле нет, просто наиболее важные большие молекулы можно разделить на эти группы. Совместно они составляют бо́льшую часть «сухого веса» клетки (вода — небольшая молекула, но составляет бо́льшую часть так называемого «мокрого веса»).

Большие биомолекулы выполняют в организме широкий спектр функций. Некоторые углеводы хранят топливо для будущих энергетических нужд, часть липидов — ключевой компонент структуры клеточной мембраны. Нуклеиновые кислоты хранят и передают наследственную информацию, значительная часть которой содержит инструкции для синтеза белков. У самих белков, наверное, самый широкий спектр функций: одни обеспечивают механическую поддержку, другие похожи на маленькие автоматы, выполняющие в клетке определенные функции, такие как катализация метаболических реакций или приём и передача сигналов.

Более подробно углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты и белки мы рассмотрим позже, через несколько статей. А сейчас остановимся на основных химических реакциях, в которых эти молекулы синтезируются и расщепляются

Самые крупные биомолекулы представляют собой полимеры, то есть длинные цепочки, состоящие из повторяющихся молекулярных компонентов или отдельных строительных блоков — мономеров. Если представить мономер как бусинку, тогда полимер — это ожерелье, цепочка бусин, нанизанных друг за другом.

Углеводы, нуклеиновые кислоты и белки часто встречаются в природе в виде длинных полимеров. Из-за их полимерной природы и большого (иногда огромного!) размера их относят к макромолекулам, большим (макро) молекулам, полученным путём соединения меньших по размеру компонентов. Липиды, как правило, не являются полимерами и по размеру меньше углеводов, белков и нуклеиновых кислот, поэтому некоторые учёные не относят их к макромолекулам${}^{1,2}$‍. Однако многие источники термин «макромолекула» трактуют шире и понимают под ними все четыре типа крупных биологических молекул${}^{3,4}$‍. Этот вопрос — чисто терминологический, на нём можно не зацикливаться. Главное помнить, что жиры (липиды) — это один из четырёх основных типов больших биомолекул, но полимеры из них, как правило, не образуются

Как из мономеров строятся полимеры? Большие биомолекулы часто соединяются в процессе реакции дегидратационного синтеза, в которой возникает ковалентная связь между двумя мономерами (или между мономером и растущей цепочкой мономеров), и при этом выделяется молекула воды. По названию легко запомнить, в чем суть этой реакции: «дегидратация» — это потеря молекулы воды, а «синтез» — образование нового соединения.

В приведённой выше схеме, реакции дегидратации, две молекулы глюкозы (мономеры) соединяются, образуя одну молекулу сахара мальтозы. Одна молекула глюкозы теряет H (водород), другая — OH (гидроксид), и когда между двумя молекулами глюкозы образуется новая ковалентная связь, выделяется молекула воды. По мере присоединения новых мономеров цепочка становится длиннее, и таким образом образуется полимер.

Несмотря на то что полимеры состоят из повторяющихся мономерных звеньев, их форма и состав чрезвычайно разнообразны. Углеводы, нуклеиновые кислоты и белки могут состоять из множества разнообразных мономеров, при этом важную роль играют состав и последовательность мономеров, так как они определяют выполняемые молекулами функции. Например, в нашей ДНК есть четыре типа мономеров — нуклеотидов, при этом в белках нашего тела можно найти 20 типов мономеров — аминокислот. Даже из одного-единственного типа мономера можно создать разные полимеры с различными свойствами. Например, крахмал, гликоген и целлюлоза — это все углеводы, состоящие из мономеров глюкозы, но связанных по-разному.

Как полимеры превращаются обратно в мономеры (например, когда организму нужно переработать одну молекулу, чтобы создать другую)? Полимеры расщепляются на мономеры при помощи реакций гидролиза, в которых связь разрывается (лизируется) при взаимодействии с молекулой воды.

В ходе реакции гидролиза, молекула, состоящая из нескольких субъединиц, расщепляется надвое: одна молекулу получает атом водорода, а другая — гидроксильную группу (-OH), и то, и другое берётся из воды. Эта реакция обратна реакции дегидратации, в результате образуется мономер, который может быть использован для создания нового полимера. Например, в реакции гидролиза, описанной ниже, молекула воды расщепляет мальтозу, образуя два мономера глюкозы. Эта реакция является обратной реакцией дегидратации, показанной выше.

При реакция дегидратации создаётся молекула, для чего, как правило, требуется энергии, а реакция гидролиза она расщепляется, в результате, энергия высвобождается. Именно в этих реакциях создают и расщепляются углеводы, белки и нуклеиновые кислоты, хотя используемые и образуемые мономеры в каждом случае различны. (Правда, в клетке нуклеиновые кислоты не полимеризуются путём дегидратационного синтеза, мы рассмотрим, как они формируются, в статье о нуклеиновых кислотах. Реакции дегидратации также участвуют в синтезе определенных типов жиров, хотя жиры и не являются полимерами${}^3$‍

В организмах ферменты катализируют (ускоряют) как реакции дегидратации, так и реакции гидролиза. Названия ферментов, участвующих в расщеплении соединений, часто оканчиваются на «-аза», например, фермент «мальтаза» расщепляет мальтозу, «липаза» расщепляет липиды, а «пептидазы» расщепляют белки (из статьи о белках вы узнаете, что их также называют полипептидами). Пища, проходя через пищеварительную систему, фактически с момента попадания в рот и смачивания слюной, обрабатывается именно такими ферментами. Ферменты расщепляют большие биомолекулы на более мелкие «кирпичики», которые организм впитывает и использует далее.