Металлы в живых организмах

Мембраны отделяют содержимое клетки от внешней среды и обеспечивают разницу концентраций биологически важных веществ внутри клетки и во внешней среде.

Если бы этого не было, химический состав клетки и среды стал бы одинаковым, что, конечно, нарушило бы все процессы жизнедеятельности. Мембраны способны избирательно пропускать в клетку (и в обратном направлении) определенные вещества и осуществляют таким путем контроль над количественным и качественным составом клеточного содержимого.

Химик, смешивающий в пробирке или колбе реагирующие вещества, не думает о форме сосуда, в котором идет реакция: и в колбе, и в пробирке она пройдет одинаково, сосуд не принимает участия в процессе. Клетка, с ее мембранными структурами, ведет себя иначе: в ней нет деталей, которые так или иначе не участвовали бы в реакциях; и среди них мембраны играют важнейшую роль.

По этой причине в настоящее время мембраны привлекают пристальное внимание ученых. Мембранам посвящены сотни работ, ежегодно публикуемых в печати, в нашей стране издается даже специальный журнал "Мембраны". Вопросы строения и функций этих тончайших пленок обсуждаются на конференциях и конгрессах. Можно без преувеличения сказать, что наука мембранология — это участок переднего края современной биохимии и молекулярной биологии.

Было затрачено много труда и времени на выяснение молекулярной структуры мембраны. Достигнутые результаты можно кратко суммировать так. В основном мембраны образованы молекулами липидов; на поверхности мембран находятся слабо связанные молекулы периферических белков. Другие молекулы белков (интегральные белки) погружены в липидный слой. Некоторые из них объединены в более крупные группировки — кластеры. Белковые молекулы взаимодействуют как с липидами, так и с молекулами воды внешней среды, а также в некоторых случаях и с углеводами. Для понимания причин, по которым могла возникнуть такая сложная молекулярная архитектура, надо обратить внимание на особенности строения молекул белков и липидов.

Молекулы белков, как точно установлено, состоят из остатков примерно двадцати α-аминокислот. Они имеют общую формулу NH₂ — CH(R) — СООН (в нее не вписывается лишь пролин). Как видно, все аминокислоты содержат полярные группы: карбоксильные — СООН и аминогруппы — NH₂, выполняющие соответственно функции кислоты или основания. Кроме того, у части аминокислот полярные группы (-СООН, -NH₂, -ОН, -SH) имеются и в боковых радикалах R, тогда как у другой части R — это неполярные углеводородные цепи, прямые, разветвленные или циклические.

В процессе конденсации (см. гл. 1) образуется полипептид — длинная цепочка связанных друг с другом аминокислот:

полипептид — длинная цепочка связанных друг с другом аминокислот

Именно так в клетках из различных аминокислот и получаются молекулы разнообразных белков. На боковых ответвлениях, а также на концах цепочек сохраняются кислые, основные и другие полярные группы; белки поэтому могут реагировать и с кислотами, и с основаниями.

Разнообразие белков связано с разным чередованием двадцати различных аминокислотных остатков. Поэтому число всевозможных белков необычайно велико.

Полипептидная цепочка белка, насчитывающая сотни, а иногда и тысячи звеньев, свернута в спираль, кроме того, эта спираль, в свою очередь, сложена в компактную структуру. В некоторых белках молекула содержит не одну, а две или более полипептидных цепочек, переплетенных друг с другом (например, четыре цепи гемоглобина). Отдельные части полипептидных цепей проявляют, разумеется, не одинаковые химические свойства; в частности, они по-разному относятся к молекулам воды, постоянно присутствующим в любых клетках организма. Аминогруппы -NH₂ и карбоксилы -СООН, например, удерживают молекулы воды за счет образования водородной связи. Предполагается, что возникновение водородной связи облегчает отщепление ионов Н⁺ и ОН^-:

Возникновение водородной связи облегчает отщепление ионов Н⁺ и ОН^-

Водородная связь (точки) осуществляется ионом Н+, соединенным одновременно и с атомом кислорода молекулы воды, и с атомом кислорода или азота молекулы белка. Кроме того, диполи (полярные молекулы) воды притягиваются к любому иону в растворе; поэтому те части молекул белка, которые содержат группы -ОН, -СООН, -NH₂, а также -SH, вовлекаются в водную среду; их называют гидрофильными ("любящими воду").

Водородная связь (точки) осуществляется ионом Н+, соединенным одновременно и с атомом кислорода молекулы воды, и с атомом кислорода или азота молекулы белка

В противоположность этому, группы углеводородного характера -(СН₂)_n — СН₃ почти не взаимодействуют с молекулами воды (это гидрофобные группы — "боящиеся воды"). Впрочем, если несколько углеводородных цепей расположены по соседству, то они стремятся еще более приблизиться друг к другу, так как окружающие их молекулы воды, вследствие взаимного притяжения, выталкивают углеводородные цепочки из своей среды.