Материал: Биомолекулы. свойства, роль в биохимии человека, технологии получения. Хорохордина Е.А., Рудаков О.Б

В связи с проявляющимся дефицитом пресной воды возникает необходимость более рационального её использования, а также получения из солоноватых вод и других альтернативных источников. В промышленном производстве это достигается разработкой систем оборотного водоснабжения, что резко снижает отбор пресной воды из природных источников. Получение питьевой воды из солоноватых вод осуществляется через использование различных физико-химических методов, например, сорбционных и мембранных. К примеру, водоснабжение столицы Саудовской Аравии Эр-Рияда осуществляется водой, полученной из солоноватых подземных вод мембранным методом обратного осмоса. Существуют проекты снабжения жителей засушливых районов питьевой водой, полученной из антарктических айсбергов.

«Кислые» дожди загрязняют наши озера и реки [6]

Чистая вода, контактирующая с «нормальным» воздухом, имеет рН около 5,6, а не теоретическую величину рН = 7. Это связано с тем, что воздух содержит небольшое количество газообразной СО₂ (около 0,04 %, что соответствует пар­циальному давлению 0,3 мм рт. ст.). Когда чистая вода, имеющая рН 7,0, прихо­дит в равновесие с СО₂ воздуха, в ней происходят обратимые реакции, в ходе которых образуются ионы Н+ и НСО₃^- и рН воды снижается приблизительно до 5,6. За последние сто или более лет кислотность осадков – дождей и снега в восточной части США и Северной Европе постепенно возросла в тридцать раз, что привело к снижению рН воды в озерах и реках этих областей примерно от 5,6 до величин значительно ниже 5,0.

«Кислые» дожди возникают при взаимодействии дождевой воды с содержащимися в атмосфере диоксидами серы и оксидами азота, образующимися в результате сжигания угля и нефти, содержащих небольшие количества соедине­ний серы и азота. Таким образом, дождевая вода превращается по существу в разбавленный раствор серной и азотной кислот. Тепловые электростанции и металлургические предприятия, сжигающие уголь и нефть, обычно снабжены высокими дымовыми трубами, через которые продукты сгорания вы­брасываются в атмосферу, чтобы исключить загрязнение нижних слоев воздуха, поэтому верхние слои атмосферы над огромными областями земного шара оказались загрязненными этими кислотами, выпадающими на землю в виде дождя. Иногда местные дожди могут быть особенно кислыми: во время ливней в Шотландии в 1974 г. дождевая вода имела рН 2,4 (более низкая величина, чем рН уксуса!). Вследствие «кислых» дождей вода во многих озерах Скандинавских стран, восточной части Канады, северной части Новой Англии, а также в горах Адирондака и во Флориде стала настолько кислой, что рыба в этих озерах частично или полностью погибла, так как многие виды рыб не выносят кислотности ниже рН 5. Более того, повышение кислотности воды уже вызвало нарушение неустойчивого равновесия между животными и растениями в некоторых пресноводных экологических системах. Поскольку в будущем количество сжигаемого угля увеличится, можно ожидать, что это приведет к еще большей загрязненности запасов пресной воды, если тепловые электростанции и металлургические предприятия не будут снабжены эффективными установками, предотвращающими выброс загрязняющих веществ в атмосферу.

Контрольные вопросы

1. Представьте схему содержания воды в организме человека.

2. Охарактеризуйте участие воды в химических реакциях.

3. Перечислите функции воды в живых организмах.

4. Какова приспособленность живых организмов к водной среде?

5. В чем опасность «кислотных» дождей?

1.4. Аминокислоты: строение, свойства и биологическая роль

Гетерофункциональные соединения, молекулы которых содержат одновременно амино- и карбоксильную группы называются аминокислотами. Общее число встречающихся в природе аминокислот достигает 100. При этом в организме человека найдено около 70 аминокислот, из которых 20 входят в состав белка. Они относятся к α-аминокислотам и называются протеиногенными (см. табл. 4).

Все 20 α-аминокислот, встречающиеся в белках, характеризуются общей структурной особенностью – наличием 2-х различных функциональных групп, связанных с одним и тем же атомом углерода. Различаются же аминокислоты только боковыми цепями (R-группами), которые у разных аминокислот неодинаковы по структуре, электрическому заряду и растворимости в воде.

Аминокислоты в молекуле белка соединены между собой пептидными связями (–СО–NH–), образуя полипептидные цепи. Пептидная связь возникает между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой, что сопровождается выделением молекулы воды. В белках различают несколько уровней структурной организации.

Все аминокислоты – амфотерные соединения, они могут проявлять как кислотные свойства, обусловленные наличием в их молекулах карбоксильной группы  —COOH, так и основные свойства, обусловленные аминогруппой  —NH₂. Аминокислоты взаимодействуют с кислотами и щелочами:

NH₂ -CH₂ -COOH + HCl → HCl • NH₂ -CH₂ -COOH 

(гидрохлорид глицина)

NH₂ -CH₂ -COOH + NaOH → H₂O + NH₂ -CH₂ -COONa

(натриевая соль глицина)

Растворы аминокислот в воде благодаря этому обладают свойствами буферных растворов, т.е. находятся в состоянии внутренних солей.

NH₂ - CH₂COOH ↔N⁺H₃ - CH₂COO^-

Аминокислоты обычно могут вступать во все реакции, характерные для карбоновых кислот и аминов.

Таблица 4

Протеиногенные α-аминокислоты

Классификация аминокислот по радикалу

• Неполярные: аланин, валин, изолейцин, лейцин, пролин, метионин, фенилаланин, триптофан.

• Полярные незаряженные (заряды скомпенсированы) при pH=7: глицин, серин, треонин, цистеин, аспарагин, глутамин, тирозин.

• Полярные заряженные отрицательно при pH<7 (кислые): аспарагиновая и глутаминовая кислоты.

• Полярные заряженные положительно при pH>7 (основные): лизин, аргинин, гистидин.

Классификация аминокислот на заменимые и незаменимые

Для большинства животных и человека незаменимыми аминокислотами являются: валин, изолейцин, лейцин, треонин, метионин, лизин, фенилаланин, триптофан, аргинин, гистидин. Эти аминокислоты не вырабатываются или вырабатываются в недостаточном количестве в организме и должны поступать в него вместе с пищей.

Для большинства животных и человека заменимыми аминокислотами являются: глицин, аланин, пролин, серин, цистеин, аспартат, аспарагин, глутамат, глутамин, тирозин.

Классификация аминокислот на заменимые и незаменимые не лишена недостатков. К примеру, тирозин является заменимой аминокислотой только при условии достаточного поступления фенилаланина. Для больных фенилкетонурией тирозин становится незаменимой аминокислотой. Аргинин синтезируется в организме человека и считается заменимой аминокислотой, но в связи с некоторыми особенностями его метаболизма при определённых физиологических состояниях организма может быть приравнен к незаменимым. Гистидин также синтезируется в организме человека, но не всегда в достаточных количествах, поэтому должен поступать с пищей.

Биологические функции

Фармакологический препарат глицина оказывает седативное (успокаивающее), мягкое транквилизирующее и слабое антидепрессивное действие, уменьшает чувство тревоги, страха, психоэмоционального напряжения, усиливает действие противосудорожных препаратов, антидепрессантов, антипсихотиков, уменьшает проявления алкогольной и опиатной абстиненции.

Аланин легко превращается в печени в глюкозу и наоборот. Этот процесс носит название глюкозо-аланинового цикла и является одним из основных путей глюконеогенеза в печени.

Глутаминовая кислота относится к условно незаменимым аминокислотам. Глутамат в норме синтезируется организмом. Присутствие в пище свободного глутамата придает ей так называемый «мясной» вкус, для чего глутамат используют как усилитель вкуса. При этом метаболизм природного глутамата и глутамата натрия синтетического не отличаются.

Содержание натурального глутамата в пище (имеется в виду пища, не содержащая искусственно добавленного глутамата натрия): молоко коровье, сыр пармезан, мясо цыпленка, курицы, утки, говядина, свинина, форель, кукуруза, свекла, лук. Полностью исключить из рациона глутамат, как предлагают некоторые издания, достаточно проблематично.

Лизин – это незаменимая аминокислота, входящая в состав практически любых белков, необходима для роста, восстановления тканей, производства антител, гормонов, ферментов, альбуминов. Эта аминокислота оказывает противовирусное действие, особенно в отношении вирусов, вызывающих герпес и острые респираторные инфекции.

Лизин поддерживает уровень энергии и сохраняет здоровым сердце, благодаря карнитину, который в организме из него образуется. Как показали исследования, однократный прием 5000 мг лизина увеличивает уровень карнитина в 6 раз. Для этого должны присутствовать в достаточных количествах витамины C, тиамин (B₁) и железо.

Лизин участвует в формировании коллагена и восстановлении тканей. Его применяют в восстановительный период после операций и спортивных травм. Лизин улучшает усвоение кальция из крови и транспорт его в костную ткань, поэтому он может быть неотъемлемой частью программы лечения и профилактики остеопороза.

Дефицит лизина неблагоприятно сказывается на синтезе белка, что приводит к утомляемости, усталости и слабости, плохому аппетиту, замедлению роста и снижению массы тела, неспособности к концентрации, раздражительности, кровоизлияниям в глазное яблоко, потере волос, анемии и проблемам в репродуктивной сфере.