Молекулярные основы жизни

ВВЕДЕНИЕ

Вопросы о происхождении  и сущности жизни издавна стали  предметом интереса человека в его  стремлении разобраться в окружающем мире, понять самого себя и определить свое место в мире. Это очень  значимые вопросы, так как они, вместе с вопросами о происхождении  Вселенной и человека, составляют фундамент нашего мировоззрения. Необходимо отметить, что на самом деле это  не два вопроса, а фактически один, сформулированный в двух аспектах. И действительно, невозможно узнать, как появилась жизнь на Земле, если не знать, что это такое. С  другой стороны, нельзя ответить на вопрос, что такое жизнь, не рассматривая вопрос о ее происхождении.

Понятию жизнь в разных исторических периодах давались различные  определения. Первое научно правильное определение дал Ф. Энгельс: "Жизнь  есть способ существования белковых тел, и этот способ существования  состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных  частей этих тел". При прекращении  процесса обмена веществ между живыми организмами и окружающей средой белки распадаются, и жизнь исчезает. Опираясь на современные достижения биологической науки, русский ученый М. В. Волькенштейн дал новое определение понятию жизнь: "Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров — белков и нуклеиновых кислот". Это определение не отрицает наличие жизни и на других планетах космического пространства. Жизнь называется открытой системой, на что указывает непрерывный процесс обмена веществ и энергии с окружающей средой.

МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ЖИЗНИ

Клетка содержит громадное  число различных молекул. В зависимости  от выполняемой роли молекулы находятся  в клетке в различных количествах. Например, молекулы, которые служат источником строительного материала  или топлива, представлены в большем количестве. Молекулы, несущие регуляторную функцию, выполняющие функцию источников информации или выступающие как переносчики групп и энергии, - в значительно меньшем количестве. В зависимости от выполняемой роли молекулы также различаются по продолжительности существования. Например, молекулы белков существуют дольше, чем молекулы углеводов, которые являются источником топлива, а некоторые виды молекул нуклеиновых кислот существуют столько же, сколько существует клетка.

Все молекулы, составляющие клетку живых организмов, по размеру  можно условно разделить на малые  и большие (макромолекулы). Последние могут быть информационные и неинформационные. Например, молекула нуклеиновых кислот состоит из четырех типов мононуклеотидов, которые расположены в определенной последовательности и несут соответствующую информацию. Информация также заложена в последовательности двадцати аминокислот полипептидной цепи. Такими свойствами не обладают другие макромолекулы (например, полисахариды).

Живая, в физиологически активном состоянии клетка состоит  приблизительно на три четверти из воды. В состав остальной массы  клетки входит около 70% белков и свободных  аминокислот, 12% нуклеиновых кислот, 10% липидов, 5% сахаров и другие соединения. В клетке насчитываются десятки  миллионов больших и малых  молекул, которые участвуют в  тысячах различных реакций и процессов, многие из которых являются многоступенчатыми. В живой клетке все это громадное число реакций и процессов в пространстве и времени взаимно друг с другом связано и представляет единую функционирующую биологическую систему. Чтобы понять молекулярные механизмы живой клетки, необходимо познакомиться с теми важнейшими химическими и физическими свойствами больших и малых молекул, которые определяют их роль в биологических структурах и выполняемую ими функцию.

УГЛЕВОДЫ - одна из основных групп органических веществ клеток.

Углеводами называют вещества с общей формулой Сn(Н2О)m, где n  и m могут иметь разные значения. Название «углеводы» отражает тот факт, что водород и кислород присутствуют в молекулах этих веществ в том же соотношении, что и в молекуле воды. Кроме углерода, водорода и кислорода, производные углеводов могут содержать и другие элементы, например азот. Выделяют три группы углеводов:

- Моносахариды (простые сахара): В зависимости от длины углеродного скелета (количества атомов углерода) моносахариды разделяют на триозы (С3), тетрозы (С4), пентозы (С5), гексозы (С6), гептозы (С7). Моносахариды хорошо растворяются в воде, сладкие на вкус. Самые распространенные моносахариды - глюкоза, фруктоза, рибоза, дезоксирибоза. Рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот и АТФ.

-   Олигосахариды. При гидролизе олигосахариды образуют несколько молекул простых сахаров. В олигосахаридах молекулы простых сахаров соединены так называемыми гликозидными связями. К наиболее важным олигосахаридам относятся мальтоза (солодовый сахар), лактоза (молочный сахар) и сахароза (тростниковый или свекловичный сахар). Эти сахара называют также дисахаридами. По своим свойствам дисахариды близки к моносахаридам. Они хорошо растворяются в воде и имеют сладкий вкус.

- Полисахариды. Это высокомолекулярные (до 10 000 000 Да) полимерные биомолекулы, состоящие из большого числа мономеров - простых сахаров и их производных. Полисахариды могут состоять из моносахаридов одного или разных типов. В первом случае они называются гомополисахариды (крахмал, целлюлоза, хитин и др.), во втором - гетерополисахариды (гепарин). Все полисахариды не растворимы в воде и не имеют сладкого вкуса. Некоторые из них способны набухать и ослизняться. Наиболее важными полисахаридами являются:

- целлюлоза

- крахмал и гликоген.

- хитин.

Углеводы выполняют в  организме следующие функции:

• Энергетическая. Моно - и олигосахара являются важным источником энергии для любой клетки. Расщепляясь, они выделяют энергию, которая запасается в виде молекул АТФ, которые используется во многих процессах жизнедеятельности клетки и всего организма. Конечными продуктами расщепления всех углеводов являются углекислый газ и вода.
• Запасательная. Моно- и олигосахара благодаря своей растворимости быстро усваиваются клеткой, легко мигрируют по организму, поэтому непригодны для длительного хранения. Роль запаса энергии играют огромные нерастворимые в воде молекулы полисахаров. У растений, например, это - крахмал, а у животных и грибов – гликоген. Для использования этих запасов организм должен сначала превратить полисахара в моносахара.
• Строительная. Подавляющее большинство растительных клеток имеют плотные стенки из целлюлозы, обеспечивающей растениям прочность, упругость и защиту от большой потери влаги.
• Структурная. Моносахара могут соединяться с жирами, белками и другими веществами. Например, рибоза входит в состав всех молекул РНК, а дезоксирибоза – в ДНК.

ЛИПИДЫ - это жиры и жироподобные органические соединения.

Жиры, как и сахара также  состоят из атомов углерода, кислорода  и водорода, но относительное содержание в них кислорода меньше. Молекула жира образуется четырьмя компонентами: глицерином и связанными с ним тремя жирными кислотами. Жирные кислоты представляют длинные полимерные цепи из атомов углерода. Каждая такая цепь заканчивается карбоксильной группой. От строения жирных кислот зависят свойства жира. Если жирные кислоты, входящие в состав жира имеют ненасыщенные (двойные) связи, то такой жир при комнатной температуре жидкий, например подсолнечное, оливковое, льняное и другие растительные масла. Если же жирные кислоты имеют только насыщенные связи, то они при тех же условиях – твердые вещества: говяжье, баранье, свиное сало, сливочное масло и другие животные жиры.

Важнейшим свойством всех жиров является гидрофобность, то есть способность отталкивать воду.

К жироподобным веществам  относится разнообразная группа органических веществ: фосфолипиды, каротиноиды, стероиды, которые, несмотря на существенные различия в строении имеют также хорошо выраженные гидрофобные свойства.

Функции жиров и жироподобных веществ в клетке и в организме следующие:

• Структурная. Фосфолипиды вместе с белками образуют биологические мембраны. В состав мембран входят также стеролы.
• Энергетическая. При окислении 1 г жиров высвобождается 38,9 кДж энергии, которая идет на образование АТФ. В форме липидов хранится значительная часть энергетических запасов организма, которые расходуются при недостатке питательных веществ. Животные, впадающие в спячку, и растения накапливают жиры и масла и расходуют их на поддержание процессов жизнедеятельности. Высокое содержание липидов в семенах обеспечивает энергией развитие зародыша и проростка, пока он не перейдет к самостоятельному питанию. Семена многих растений (кокосовая пальма, клещевина, подсолнечник, соя, рапс и др.) служат сырьем для получения масла промышленным способом.
• Защитная и теплоизоляционная. Накапливаясь в подкожной жировой клетчатке и вокруг некоторых органов (почки, кишечник), жировой слой защищает организм от механических повреждений. Кроме того, благодаря низкой теплопроводности слой подкожного жира помогает сохранить тепло, что позволяет, например, многим животным обитать в условиях холодного климата. У китов, кроме того, он играет еще и другую роль - способствует плавучести.
• Смазывающая и водоотталкивающая. Воска покрывают кожу, шерсть, перья, делают их более эластичными и предо­храняют от влаги. Восковым налетом покрыты листья и плоды многих растений; воск используется пчелами в строительстве сот.
• Регуляторная. Многие гормоны являются производными холестерола, например половые (тестостерон у мужчин и про­гестерон у женщин) и кортикостероиды (альдостерон).
• Метаболическая. Производные холестерола, витамин В играют ключевую роль в обмене кальция и фосфора. Желч­ные кислоты участвуют в процессах пищеварения (эмульгирование жиров) и всасывания высших карбоновых кислот.

Липиды являются источником метаболической воды. При окислении 100 г жира образуется примерно 105 г  воды. Эта вода очень важна для  некоторых обитателей пустынь, в  частности для верблюдов, способных  обходиться без воды в течение 10-12 суток: жир, запасенный в горбе, используется именно на эти цели. Необходимую  для жизнедеятельности воду медведи, сурки и другие животные в спячке получают в результате окисления  жира.

БЕЛКИ - это биологические полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Одна молекула белка может содержать тысячи молекул аминокислот. В природе встречается 20 различных аминокислот (глицин, лейцин, аланин, фенилаланин, серин и др.) Каждая аминокислота имеет аминогруппу ( -NH 2 ), карбоксильную группу ( -COOH ) и так называемый радикал. Аминокислоты отличаются друг от друга строением радикалов, количеством амино- и карбоксильных групп. В молекуле белка аминокислоты расположены линейно, связываясь между собой так, что аминогруппа одной аминокислоты ковалентно соединяется с карбоксильной группой соседней аминокислоты. Такая связь между двумя различными аминокислотами называется пептидной . При ее образовании выделяется одна молекула воды.

Белки имеют несколько  уровней организации: первичный, вторичный, третичный и четвертичный. Первичная  структура белка – это цепь связанных пептидными связями молекул  аминокислот. Вторичная структура  – это результат спирального  скручивания первичной структуры, она образованна и поддерживается благодаря водородным связям между  различными витками цепи. Третичная  структура белка – это результат  сложной укладки вторично скрученной белковой молекулы в структуру различной  конфигурации (например, в виде петли, клубка, кольца и пр.). Третичная структура  поддерживается благодаря ковалентным  связям между атомами серы, принадлежащим  разным аминокислотам. Белки проявляют  свои биологические свойства именно на третичной структуре. Некоторые  белки имеют и четвертичную организацию, которая является результатом объединение  нескольких третичных структур. Как  правило, в создании четвертичной структуры  принимает участие атом металла. Например, белок крови гемоглобин состоит из четырех молекул миоглобина, связанных атомом железа. Разрушение третичной и вторичной структур белка называется денатурацией. Она  наблюдается при нагреве белка  или изменении кислотности раствора, в котором белок находится. Денатурация  – процесс обратимый: при восстановлении прежних условий белок восстанавливает  свою структуру. Разрушение первичной структуры (пептидных связей) называется расщеплением белка. Этот процесс необратим.

Функции белков:

• Ферментативная. Важнейшая функция белка. Фермент - это катализатор биохимической реакции. Он ускоряет протекание реакции в клетке в сотни и тысячи раз, сам при этом не участвует в реакции. Важно запомнить две особенности всех биохимических реакций, протекающих в клетке: 1. все эти реакции протекают только в присутствии ферментов; 2. все ферменты клетки – это белки.

Ферменты обладают следующими свойствами: а) каждый фермент может ускорять только один тип биохимической реакции, б) каждый фермент работает в строго определенных температурных и кислотных условиях.

• Строительная. Все мембранные структуры клетки содержат в своем составе белки. Нередко трудно разграничить строительную и ферментативную функции белка, так как, многие белки мембран являются ферментами.
• Транспортная. Некоторые белки способны осуществлять перенос различных молекул или элементарных частиц. Например, белки-цитохромы отвечают за перенос электронов; гемоглобин – за перенос кислорода и углекислого газа.
• Рецепторная. Некоторые белки, встроенные в клеточную мембрану, способны изменить свою структуру на действие внешней среды. Так происходят прием сигналов из внешней среды и передача информации в клетку. Примером может служить фитохром - светочувствительный белок, регулирующий фотопериодическую реакцию растений, и опсин - составная часть родопсина - пигмента, находящегося в клетках сетчатки глаза.
• Защитная. В крови животных находятся специальные белки, способные нейтрализовать возбудителей болезней, склеиваться с чужеродными и вредными веществами. Такие белки называются антителами.
• Гормональная. Некоторые белки играют роль гормонов. Например, гормон поджелудочной железы инсулин, регулирующий содержание сахара в крови.
• Энергетическая. Все белки в клетке рано или поздно расщепляются до конечных продуктов распада: углекислого газа, воды, аммиака, сероводорода и солей. В результате такого расщепления выделяется энергия, часть которой запасается в виде молекул АТФ.