Кроме небольших молекул, в клетке встречаются и крупные, они являются полимерами. Полимеры – это сложные молекулы, состоящие из отдельных «звеньев», соединенных друг с другом. Такие «звенья» называются мономерами.

В клетке встречается несколько видов биологических полимеров, важнейшие из них – углеводы, белки и нуклеиновые кислоты. Такие вещества, как крахмал, целлюлоза и хитин, являются полисахаридами – биологическими полимерами, состоящими из ковалентно соединенных звеньев – моносахаридов.

К моносахаридам относятся глюкоза и фруктоза, придающие сладость фруктам и ягодам. Пищевой сахар сахароза состоит из ковалентно присоединенных друг к другу глюкозы и фруктозы. Подобные сахарозе соединения называются дисахаридами. Поли-, ди- и моносахариды называют общим термином – углеводы. К углеводам относятся соединения, обладающие разнообразными и часто совершенно различными свойствами. В организме углеводы выполняют ряд важных функций.

При распаде и окислении углеводов выделяется энергия, которую организм использует для своих нужд. В среднем при окислении 1 г углеводов выделяется 4,1 килокалории. Для многих клеток человека (например, клеток мозга и мышц) глюкоза, приносимая кровью, служит главным источником энергии.

Крахмал и очень похожее на него вещество животных клеток – гликоген – являются полимерами глюкозы, они служат для запасания ее внутри клетки.

Полисахарид целлюлоза образует клеточные стенки растительных клеток, отличающиеся твердостью и жесткостью, она – один из главных компонентов древесины. Другими компонентами являются гемицеллюлоза, также принадлежащая к полисахаридам, и лигнин (он имеет неуглеводную природу). Хитин тоже выполняет структурные функции. Хитин выполняет опорную и защитную функции.

Клеточные стенки большинства бактерий состоят из пептидогликана муреина – в состав этого соединения входят остатки как моносахаридов, так и аминокислот.

Общую формулу моносахаридов можно написать как С_n(Н₂О)_n. По своей химической природе они представляют собой альдегидоспирты или кетоспирты. В живых организмах наиболее распространены сахара с 5-ю (пентозы) и с 6-ю (гексозы) атомами углерода. Нумерация углеродных атомов в моносахаридах идет начиная с углерода альдегидной группы (у альдегидоспиртов) или с концевого углерода цепочки, ближайшего к кетонной группе (у кетоспиртов).

Общая формула глюкозы – С₆Н₁₂О₆, это альдегидоспирт. Глюкоза содержится во многих фруктах, соках растений и цветочном нектаре, а также в крови человека и животных. Содержание глюкозы в крови поддерживается на определенном уровне (0,65–1,1 г на л). Если искусственно снизить его, то клетки мозга начинают испытывать острое голодание, которое может закончиться обмороком, комой и даже смертельным исходом. Длительное повышение содержания глюкозы в крови тоже отнюдь не полезно: при этом развивается заболевание сахарный диабет.

Млекопитающие, и человек в том числе, могут синтезировать глюкозу из некоторых аминокислот и продуктов расщепления самой глюкозы – например, молочной кислоты. Они не умеют получать глюкозу из жирных кислот, в отличие от растений и микробов.

Углеводы обладают оптической изомерией (подробнее этот вид изомерии мы рассмотрим на уроке 4). D и L-изомеры глюкозы различаются расположением гидроксила и водорода у 5-го углеродного атома. В живых организмах почти все сахара содержатся только в виде D-изомеров. В водном растворе глюкоза существует в виде нескольких форм, которые легко переходят друг в друга: α-D-глюкоза, β-D-глюкоза и линейная D-глюкоза.

Линейная форма содержит химически активную альдегидную группу. Из-за наличия этой группы глюкоза может вступать в нежелательные химические реакции с белками, что вносит вклад в развитие симптомов сахарного диабета. Так, у больных диабетом в крови накапливается гемоглобин с химически пришитой глюкозой. Молекула такого гемоглобина имеет на один положительный заряд меньше, чем нормального, его биохимические свойства меняются, что приводит к нарушениям кровообращения у диабетиков. Глюкоза в высоких концентрациях вызывает образование поперечных сшивок между молекулами белков хрусталика, что нарушает его прозрачность и вызывает развитие катаракты у диабетиков.

Наличие альдегидной группы дает возможность определять содержание глюкозы в биологических жидкостях. Качественной реакцией на глюкозу может служить реакция серебряного зеркала – ионы серебра окисляют глюкозу до глюконовой кислоты, восстанавливаясь до металлического серебра. Оно оседает на стеклянной посуде с образованием зеркальной поверхности: R–COH + H₂O + 2Ag⁺ → RCOOH + 2Ag↓ + 2H⁺. В ходе применяемого в клинике количественного метода Хагедорна-Иенсена окислителем служит красная кровяная соль K₃[Fe(CN)₆], восстанавливающаяся при этом до желтой кровяной соли K₄[Fe(CN)₆].

Фруктоза тоже имеет общую формулу С₆Н₁₂О₆, она является кетоспиртом. Фруктоза значительно слаще глюкозы и сахарозы. Она также находится в спелых плодах и нектаре, много фруктозы содержит мед. Фруктоза энергетически обеспечивает движение сперматозоидов, она в больших количествах вырабатывается в семенных пузырьках.

Сахароза имеется во многих растениях. Особенно большие количества ее содержатся в сахарном тростнике и сахарной свекле, именно из них получают пищевой сахар. В составе сахарозы остаток глюкозы не может образовать свободную альдегидную группу, следовательно, сахароза не дает реакцию серебряного зеркала. Дисахарид, состоящий из двух остатков глюкозы, называется мальтозой.

Лактоза – также дисахарид, она состоит из остатков глюкозы и галактозы. Лактоза в больших количествах содержится в молоке. Расщепляющий лактозу фермент имеется у всех детей, однако он исчезает у взрослых людей многих этнических групп. Если у подавляющего большинства европейцев он продолжает синтезироваться в течение всей жизни, то у взрослых жителей Юго-Восточной Азии этого фермента нет, и прием молока с пищей не приносит им никакой пользы, а приводит к расстройствам кишечника.

Рис. 3. Мальтоза Рис. 4. Лактоза

Молекула крахмала может содержать от нескольких сотен до десятков тысяч глюкозных остатков. Крахмал состоит из двух компонентов: амилозы и амилопектина. Амилоза представляет собой длинные неразветвленные полиглюкозные цепи, тогда как амилопектин сильно разветвлен – одна точка ветвления приходится на 25–30 глюкозных остатков. Молекулы крахмала связаны друг с другом водородными связями и упакованы в небольшие гранулы. При взаимодействии с йодом крахмал образует комплекс, имеющий синюю окраску; эта реакция применяется для обнаружения крахмала.

При комнатной температуре в эти гранулы почти не проникает вода, и суспензия крахмала в воде растворяется плохо. При нагревании до 65–70 °С водородные связи между молекулами крахмала разрываются, вода проникает внутрь гранул, и крахмал резко набухает, а раствор становится вязким (так и происходит при приготовлении крахмального клейстера). Крахмал часто добавляют к подливкам и соусам, чтобы сделать их более густыми. При длительном стоянии клейстера происходит обратный процесс: гранулы теряют воду, вновь образуются водородные связи между молекулами крахмала, и происходит частичная кристаллизация этого полисахарида. Такие же процессы происходят и при черствении хлеба.

Крахмал – запасное питательное вещество у высших растений и зеленых водорослей (другие группы водорослей используют похожие, но несколько отличающиеся полисахариды). У животных эту функцию выполняет полисахарид гликоген. Он очень похож на крахмал по своему строению, но обладает еще большей разветвленностью – одна точка ветвления приходится на 8–12 глюкозных остатков.

Главные запасы гликогена в организме человека содержатся в печени и мышцах. Запасать углеводы в виде полисахаридов выгоднее, чем накачивать в клетку большое количество глюкозы. Если бы глюкоза запасалась в виде отдельных молекул, то осмотическое давление резко возросло бы, и животная клетка, лишенная жесткой оболочки, просто лопнула бы из-за сильного набухания. Есть и еще одно преимущество крахмала и гликогена: их молекулы не содержат свободных альдегидных групп, которые вредны для клетки.

Целлюлоза – самое распространенное в биосфере органическое соединение. Целлюлоза также является полисахаридом, состоящим из множества остатков глюкозы, однако в отличие от крахмала глюкоза находится в β-форме, а не в α.

Целлюлоза представляет собой длинные нити, содержащие 300–2500 глюкозных остатков, без боковых ответвлений. Эти нити соединены между собой множеством водородных связей, что придает целлюлозе большую механическую прочность. У млекопитающих (как и большинства других животных) нет ферментов, способных расщеплять целлюлозу. Однако многие травоядные животные (например, жвачные) имеют в пищеварительном тракте бактерий-симбионтов, которые расщепляют и помогают хозяевам усваивать этот полисахарид.

Рис. 8. Целлюлоза

Полисахаридом является также хитин. Он содержится в наружном скелете различных членистоногих, а также в клеточных стенках грибов. Хитин состоит из остатков производного глюкозы – N-ацетилглюкозамина, которые, подобно целлюлозе, также находятся в β-форме.

Рис. 9. Хитин

В организме человека хитин не синтезируется, но, тем не менее, у нас есть фермент, расщепляющий хитин – хитиназа. Возможно, он служит для защиты нашего организма от патогенных грибов с хитиновой клеточной стенкой, а также для разрушения панцирей случайно попавших в легкие насекомых.

У человека тоже есть полисахариды, выполняющие структурную функцию. Например, гиалуроновая кислота, образующая основу межклеточного вещества тканей. Особенно много ее в стекловидном теле глаза и сухожилиях. Гиалуроновая кислота состоит из моносахаридных остатков, находящихся в β-форме. Эти структурные полисахариды находятся в межклеточном веществе, а также в хрящах. Они очень гидрофильны и связывают много воды. Такой набухший полисахарид выдерживает большие механические нагрузки на сжатие. Белок соединительной ткани коллаген (см. урок 4) хорошо выдерживает нагрузки на растяжение, так что сочетание этих двух биополимеров обеспечивает высокую механическую прочность.

Углеводы часто соединяются с белками, образуя гликопротеины (т. е. белки, с которыми связаны небольшие олигосахаридные цепочки) и протеогликаны (так называют соединения, в которых углеводы составляют не меньше половины общего веса). Углеводы могут соединяться и с липидами, образуя гликолипиды. Разные классы этих веществ имеют различные углеводные остатки. На наружной мембране животных клеток углеводные части гликопротеинов и гликолипидов образуют гликокаликс – своего рода рыхлую углеводную оболочку, окружающую клетку. Гликокаликс может играть защитную роль для клеток пищеварительного тракта: пищеварительные ферменты не проникают через сеть, образованную полисахаридными цепочками, и не повреждают стенки желудка и кишечника.

Интересными гликолипидами мембраны эритроцитов являются так называемые антигены групп крови. Врачи издавна пытались осуществлять переливание крови от человека к человеку, однако результаты этих медицинских экспериментов были обескураживающими: иногда переливание проходило вполне успешно и приносило пользу, а иногда пациент умирал прямо во время проведения процедуры. Разумеется, в те времена понятия не имели об антисептике или дезинфекции, но при неудачном переливании крови смерть наступала слишком быстро, чтобы ее можно было объяснить микробным заражением.

В самом начале ХХ века было обнаружено, что у человека существует 4 различных группы крови: 0 (первая), A (вторая), B (третья) и AB (четвертая). Оказалось, что на поверхности эритроцитов находятся особые молекулы – антигены групп крови. В сыворотке крови имеются белки-антитела, которые могут связываться с антигенами групп крови и вызывать склеивание (агглютинацию) эритроцитов. Разумеется, в сыворотке живого человека не может быть антител к его собственным антигенам: иначе бы его эритроциты склеились, и он умер.

У людей с первой группой крови на эритроцитах нет ни антигена А, ни антигена В, (поэтому этот вариант и был обозначен 0), в плазме их крови содержатся антитела к обоим антигенам: А и В. У людей со второй группой на поверхности эритроцитов есть антиген А, а в сыворотке имеются антитела к антигену В. У людей с третьей группой на эритроцитах имеется антиген В, а в сыворотке есть антитела к антигену А. Наконец, у людей с четвертой группой на поверхности эритроцитов содержатся оба антигена – и А, и В, а в их сыворотке не содержится антител к ним.

Кровь первой группы можно переливать людям любой другой группы, их эритроциты не содержат антигенов А или В, антитела не свяжутся с ними, и склеивания (агглютинации) не произойдет. Кровь доноров второй группы можно переливать пациентам со второй и с четвертой группами крови – эритроциты второй группы содержат антиген А, а в сыворотке 2-й и 4-й групп нет антител к нему. А вот если перелить кровь второй группы людям с первой или третьей группами, то антитела к антигену А, содержащиеся в плазме этих людей, станут склеивать эритроциты донора друг с другом, образующийся сгусток закупоривает кровеносный сосуд, и пациент быстро умирает. Кровь от доноров третьей группы (В) можно переливать пациентам с третьей и с четвертой группами, поскольку на эритроцитах третьей группы есть антиген В, а у доноров третьей и четвертой групп нет антител к нему. А вот при попытке перелить эту кровь людям с первой или второй группами крови наступает склеивание эритроцитов и смерть – ведь в их сыворотке содержатся антитела к В. Наконец, кровь четвертой группы (АВ) можно переливать только людям с той же группой – их эритроциты несут оба антигена, и А, и В.

Вскоре биохимики установили, что антигены групп крови АВ0 являются гликолипидами, различающимися всего лишь одним моносахаридным остатком. У людей с первой группой крови этот антиген (форма 0) на один остаток короче, чем у двух других групп. У людей с группой крови А гликолипид содержит на конце дополнительный остаток N-ацетилглюкозамина, а у людей с группой крови В вместо него имеется дополнительная галактоза. Такого небольшого отличия достаточно, чтобы белки-антитела могли специфически связываться только с одной из трех форм.

Для обнаружения углеводов применяются различные реакции. Одной из наиболее распространенных проб является реакция с α-нафтолом. Концентрированная серная кислота отнимает воду от молекул углеводов, в результате такой дегидратации образуется фурфурол или оксиметилфурфурол. Оба эти вещества при реакции с α-нафтолом дают ярко окрашенный красно-фиолетовый продукт.

Более сложным соединением является муреин, который представляет собой пространственную сетку из полисахаридных и полипептидных цепей.

Муреин содержится в клеточных стенках различных бактерий. Первый антибиотик, введенный в клиническую практику – пенициллин – ингибирует синтез муреина бактериями, что приводит к их гибели.

Пенициллин был открыт Александром Флемингом в 1928 году. Он работал с культурой бактерий – золотистыми стафилококками. Иногда в эти культуры попадали посторонние микробы из воздуха, в том числе пеницилловая плесень. Флемминг заметил, что на чашках Петри вокруг участков, куда попала эта плесень, все стафилококки погибали. Тогда он попробовал вырастить пеницилловые грибки в специальной среде и добавить эту среду из-под плесени к бактериям. Оказалось, что этот экстракт также вызывал гибель золотистых стафилококков. Тогда Флеминг сделал вывод, что пеницилловая плесень выделяет какое-то вещество, убивающее стафилококков. Выделить пенициллин и изучить его структуру удалось спустя 10 лет другим исследователям – Говарду Флори и Эрнсту Чейну.