Книга: Наука о живом

Глава 10 Компоненты организма

Глава 10 Компоненты организма

Физико-химические свойства, которые делают возможным построение гигантских и чрезвычайно сложных молекул, образующих вещество живых организмов, — это (а) способность атомов углерода соединяться друг с другом в длинные углеродные цепи, лежащие в основе белков и жиров, и (б) полимеризация, т. е. построение больших, а иногда и гигантских молекул из строительных блоков, сходных друг с другом по своей общей химической структуре.

В белках такой структурной единицей, или мономером, является аминокислота, относительно простая органическая молекула, — их теперь известно более двадцати видов. Варианты комбинаций этих двадцати различных аминокислот и обеспечивают белкам их неимоверное разнообразие строения и функций. Те аминокислоты, которые организм не может синтезировать сам и потому должен быть способен покрывать потребность в них уже готовыми аминокислотами из своей ежедневной пищи, называются незаменимыми (условный термин). Соединение аминокислот при создании белков не высокоэнергетический процесс, и при пищеварении и распаде белка на составляющие его аминокислоты выделяется очень мало энергии: в противном случае желудок да и вообще все внутренности при переваривании обеда разве что не раскалялись бы.

Нуклеиновые кислоты — это гигантские полимеры, построенные из нуклеотидов: каждый нуклеотид представляет собой соединение азотистого основания, фосфорной кислоты и молекулы сахара. В зависимости от того, какой сахар входит в молекулу нуклеиновой кислоты — рибоза или дезоксирибоза, — эти кислоты распадаются на два главных класса: рибонуклеиновую {96} (РНК) и дезоксирибонуклеиновую (ДНК) кислоты. Азотистые основания в ДНК существуют четырех разных видов. Биологическое значение линейного расположения этих четырех нуклеотидов в высокополимерных нуклеиновых кислотах чрезвычайно велико (см. гл. 3 и 12).

И рибоза, и дезоксирибоза — пентозы, т. е. сахара, молекулы которых содержат пять атомов углерода. Первичными структурными элементами гигантских растительных и животных полисахаридов, таких, как крахмал, целлюлоза и гликоген, часто бывает простой сахар с шестью атомами углерода (гексоза) вроде глюкозы или фруктозы (фруктового сахара). Простые углеводы, считающиеся теми мономерами, из которых строятся большие полимеры, — это соединения, состоящие из углерода и элементов, входящих в состав воды, т. е. водорода и кислорода, причем часто в той же пропорции, в какой они образуют воду*.

Растительные масла и жиры животного происхождения — соединения общего типа, так называемые сложные эфиры, слагающиеся из глицерина и высших жирных кислот. Они далеко не столь разнообразны, как белки и полисахариды. Многие из их физических свойств зависят от длины углеродной цепи жирной кислоты, которая участвует в их образовании. Их химические свойства определяются в первую очередь свойствами этой кислоты. Существует важное различие между ненасыщенными жирными кислотами, в которых комбинаторные способности атомов углерода полностью не использованы, и насыщенными жирными кислотами, где они использованы полностью. «Затвердение» растительных масел — это процесс насыщения, побочным результатом которого является повышение температуры плавления, так что они остаются твердыми или почти твердыми при комнатной температуре и их удобнее употреблять как заменители сливочного масла.

Соединения еще более сложные, чем описанные выше, строятся из комбинаций полимеров различных видов, например из комбинаций жиров с белками или {97} с углеводами или же с теми и другими. Хромосомы, заключенные в ядрах клеток, как правило, в подавляющей части состоят из нуклеопротеидов — солеподобных комбинаций ДНК с каким-нибудь белком, обладающим щелочными свойствами (например, гистоном), хотя сам белок, насколько известно, в способности хромосомы нести информацию никакой роли не играет. Возможно, его назначение — аккуратно упаковывать нуклеиновую кислоту в такую форму, чтобы не могла возникнуть случайная утечка ДНК, которая нарушила бы процесс передачи генетической информации, а значит, и процесс развития.

Динамическое состояние компонентов организма. Одним из важнейших открытий, сделанных благодаря использованию изотопов в биологических исследованиях, стало открытие обновления, т. е. постоянного замещения элементарных компонентов организма: принцип этот относится не только к тем тканям и составляющим их частям, о которых уже было известно, что в них происходит процесс постоянной регенерации (таким, например, как клетки наружного слоя кожи или слизистой оболочки кишечника), но и к структурам вроде костей и зубов, хотя мы обычно воспринимаем их как неизменные и практически вечные. Они тоже участвуют в непрерывном обновлении, из чего следует, что постоянной в теле является лишь его форма, т. е. система точек, предпочтительно занимаемых вновь появляющимися молекулами, когда они сменяют те, которые были там раньше. Скорость обновления различных тканей различна; в сухожилии, например, она очень низка.

Использование изотопов для открытия этого важного биологического явления стало возможным потому, что варианты химических элементов, отличающиеся радиоактивностью или атомным весом, воспринимаются организмом точно так же, как и их «обычные» формы. Неспособность организма различать изотопы элементов позволяет, кроме того, применять изотопы как метки и индикаторы в комплексных процессах обмена веществ в организме — она дает возможность очень точно проследить путь отдельной молекулы на протяжении самых различных преобразований. В современных биологических лабораториях приборы для определения радиоактивности столь же {98} обычны, как микроскоп: почти все биологические исследования строятся теперь так, что количественные оценки в них проводятся путем измерения уровня радиоактивности. Не будет преувеличением сказать, что использование радиоизотопов произвело в биологии техническую революцию, не менее важную, чем даже появление микроскопа.

Ферменты. Все превращения веществ в живом организме, сопровождающие питание, накопление и высвобождение энергии, а также расшифровку и передачу генетической информации, протекают при участии ферментов — белков того класса, который не просто ускоряет (хотя в целом эти белки можно назвать катализаторами), но и часто делает вообще возможным те или иные химические изменения. Ферменты нередко действуют взаимосвязано, один за другим, благодаря чему становятся возможными чрезвычайно сложные последовательные превращения, такие, например, как клеточное дыхание или картирование последовательности нуклеотидов ДНК в полипептидную цепь. Действие ферментов очень точно регулируется кофакторами и ингибиторами. Вещество, на которое воздействует фермент, называется его субстратом, и связь между ферментом и его субстратом зачастую весьма специфична. Активность фермента обычно зависит от того, насколько точно выдержаны в среде, где он действует, определенные уровни солености, кислотности и щелочности.

Контроль над ферментами и точное регулирование их синтеза осуществляет, естественно, ДНК, и, вероятно, именно через ферменты она оказывает свое воздействие на процессы развития, так как ферменты участвуют практически во всех химических превращениях, происходящих в организме.