Схема 1. Последов ателье ость атшгоа ври биохимических исследованиях Эош ассмюив» 06wt ятоаедоюм 2 страница

Следовательно, живой природе не чужды законы термодинамики; живые организмы поддерживают свою структурную организацию за счет внешней среды, упорядоченность которой из-за этого уменьшается. Обмениваясь с внешней средой энергией и веществом, клетка является открытой неравновесной системой. Если бы эти процессы пришли в состояние равновесия, то упорядо­ченность клетки ие могла бы поддерживаться за счет окружающей среды и она бы погибла.

Живые организмы в отличие от неживых объектов практически функциони­руют при температуре и давлении, близким к постоянным значениям, поэтому они не способны использовать тепловую энергию для совершения работы. Клет­ка является изотермической химической машиной, причем эффективность ее выше, чем большинства преобразователей энергии, созданных человеком. Вы­сокая эффективность преобразования энергии живыми организмами и обеспе­чивает их структурную организацию и функционирование. Повреждение био­логических трансформаторов энергии ведет к гибели организма, ибо процессы обмена приходят в состояние равновесия, а равновесные реакции не способны поддержать упорядоченное состояние клетки.

Обмен веществ с окружающей средой и саморегуляция химических превращений. Поступающие, в клетку вещества используются как источник энергии и как строительный материал, поскольку в ней происходит постоянное обновление структурных компонентов. Для построения нужных организму биомолекул поступающие из внешней среды вещества подвергаются химическим превращениям. Продукты этих превращений, т. е. продукты обмена, выводятся из клетки во внешнюю среду. Образование необходимых'для организма веществ должно протекать не только специфично (без побочных продуктов), но и с достаточной скоростью. В ходе эволюции живая природа «создала» биологи­ческие катализаторы белковой природы — ферменты, которые обеспечивают вы­сокую скорость катализа, специфичность химических превращений и, самое главное, их саморегуляцию. Отсутствие в неживой природе белков, в том числе и белков с каталитическими функциями, исключает у них возможность специ­фического обмена веществ и саморегуляцию химических превращений.

Самовоспроизведение, иди передача наследственной информации. Самым уникальным признаком живых организмов, полностью отсутствующим в нежи­вой природе, является способность к самовоспроизведению. С поразительной точностью живые организмы копируют себе подобных. Все многообразие живых объектов определяется наследственной (генетической) программой, заложенной в нуклеиновых кислотах (нет ни одного живого организма, в котором отсутству­ют нуклеиновые кислоты). Вся генетическая информация хранится в дезокси- рибонуклеиновой кислоте (ДНК). Особенностью строения ее является потенци­альная возможность самокопирования и, следовательно, передачи наследствен­ных признаков от одного поколения организма к другому. В процессе жизне­деятельности клетки информация, заложенная в ДНК, реализуется через рибо­нуклеиновые кислоты (РНК) в структуре соответствующего белка. Следует отметить, что процесс передачи наследственной информации не может проиб- ходить без белков. Очевидно, с образованием в ходе эволюционного развития белков и нуклеиновых кислот сформировались первичные живые организмы.

Молекулярные

основы

структурной

организации

клеток

'52682222

Высоким уровень струк^рнон организации — характерный признак живого организма, отличающий его от неживой природы; он основан на физико-. химических принципах и определяет потенциальную возможность той или иной биологической функции.

ГЛАВА!. ОСНОВНЫЕ ХИМИЧЕСКИЕ КОМПОНЕНТЫ ОРГАНИЗМА

Общая масса всех живых организмов, населяю­щих Землю, составляет примерно 10¹³—10¹⁵ т. Сравнение химического состава живых организ­мов и неживой природы (атмосферы и земной коры) свидетельствует о том, что живые орга­низмы приспособили для своей деятельности не все самые распространенные элементы земиой коры (литосферы). Например, один из наиболее распространенных элементов литосферы — крем­ний— лишь в небольших количествах содер­жится в некоторых видах растений, а в орга­низме человека и высших животных присут­ствуют лишь его следы (табл. 1).

Почти 99% атомов организма человека и растений приходится на четыре элемента — кислород, водород, углерод и азот, в то время как содержание трех последних в земной коре ничтожно.

В организме человека и животных обнару­жено свыше 70 элементов таблицы Д. И. Мен­делеева По количественному содержанию в ор­ганизме их можно разделить на четыре группы. Первая группа — макробиогенные (глав­ные) элементы, содержание которых в орга­низме от 1 % и выше. К ним относятся: кислород, углерод, азот, водород, кальций и фосфор. Вторая группа — олигобио- генные, доля их от 0, 1% до 1%. Этих эле­ментов, как и главных, тоже шесть: калий, натрий, хлор, сера, магний, железо. Третья

группа — микробиогенные элементы, содержание которых н организме ни­же 0, 01%. Для семи элементов этой группы (цинк, марганец, кобальт, медь, фтор, бром, иод) доказана их большая роль в процессах жизнедеятельности. Четвертая группа — ультрамикробиогенные элементы. К ней относятся все остальные элементы; концентрация их в организме составляет ничтожную величину— 10" *—10~^й%. Для двенадцати из них установлена необходимость для жизнедеятельности растений и животных (бор, литий, алюминий, кремний, олово, кадмий, -мышьяк, селен, титан, ванадий, хром, никель). Предполагает­ся, что еще шесть элементов (бериллий, рубидий, барий, серебро, свинец, воль­фрам) также необходимы для живых организмов. В живой природе присут­ствуют в чрезвычайно малых количествах (от Ю^-4 до Ю^-12%) цезий, галлий, индий, таллий, германий, сурьма, висмут, теллур, золото, ртуть, лантан, церий, цирконий, празеодим, ниобий, неодим, инертные и даже радиоактивные эле­менты (радий, актииий, полоний, торий, уран). Содержание последних — менее одного атома на клетку. По-видимому, загрязнение внешней среды этими элементами приводит х аккумуляции их в организмах, особенно растительных.

Итак, ' живые организмы содержат чуть ли не все элементы периодической системы. По набору элементов живая и неживая природа отличаются мало. Иного трудно ожидать. Ведь исходный материал для построения живых моле­кул поставляет неживая природа. Кстати, морская вода по содержанию эле­ментов (в атомном исчислении), за исключением углерода и фосфора, очень близка к средам живых организмов. Более того, химический состав морской воды почти идентичен составу крови человека. Поэтому считают, что возник­новение жизни связано с водной средой Мирового океана или прибрежных его районов.

Все элементы входят в состав органических и неорганических соединений живого организма. Пожалуй, единственным исключением является кислород, незначительная доля которого растворена в жидкостях организма в свобод­ном молекулярном состоянии (растворенные в жидких средах организма азот и инертные газы не вовлекаются в биохимические процессы клеток); однако большая часть молекулярного кислорода, Агплль.ауоц< -.гп в процессах жизие- гг [ Р ^гпг деятельности человеческого организма, связана с гемоглобином, миоглобином и другими переносчиками.

Химический состав клетки отражает такой важный признак живой ма­терии, как высокий уровень структурной организации.

Например, из 30% сухого вещества клетки печени человека, масса которой 10~¹⁵ г, лишь около 3% приходится на долю неорганических ионов и низко­молекулярных органических соединений (метаболитов, биологических мономе­ров и прочих веществ типа макроциклов, коферментов). Значит, в клетках имеется относительно небольшой запас свободных строительных блоков (глю­коза, аминокислоты, мононуклеотиды, жирные кислоты, глицерин), которые используются на построение макромолекул. Большую часть сухого вещества клетки (около 27%) составляют макромолекулы, среди кшорыл примерно 70% приходится на белки.

В разных клетках может быть неодинаковым содержание белков (напри­мер, растительные клетки беднее белком, чем животные), нуклеиновых кислот (в растительных клетках их больше, чем в животных), липидов (особенно бо­гата липидами жировая ткань), полисахаридов (клетки растений, печени, мышц накапливают их в процессе жизнедеятельности в больших количествах, чем другие клетки). Содержание воды в разных клетках и организмах может колебаться от 40% (клетки растений, жировая ткань) до 99% {в организме медузы). Неорганические соединения вместе с водой создают среду, в которой протекают все процессы в клетке. Разнообразие неорганических ионов в клетке относительно невелико, но они определяют многие жизненные функции орга­низма.

ГЛАВА 2. ВОДА И НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ИОНЫ

1. Вода. Свойства и биологические функции

Вода — одно из самых замечательных веществ по своим уникальным физико- химическим свойствам и значению для жизнедеятельности организмов. Вода — обязательный спутник жизни: нет ни одного известного нам организма, кото­рый мйг бы обходиться без нее.

Содержание воды и ее распределение в организме человека. Содержа­ние воды в теле человека колеблется в зависимости от возраста от 45 до 75% от общей массы. Вся вода распределена между тремя пространствами — внутри клеток, вне клеток и в замкнутых полостях. Наибольшее ее количество находится внутри клеток — от 30 до 45%; внеклеточная вода распределяется между меж­клеточной жидкостью (12—16%), плазмой крови (около 5%) и лимфой (2%). Внутри полостная вода составляет небольшую долю (примерно 1—3%); она входит в состав спинно-мозговой, внутриглазной, перикардиальной, сино­виальной (в полости суставов) жидкостей и т. д. По составу растворенных веществ она близка к межклеточной жидкости. Распределение воды внутри и вне клеток и зависимости от возраста человека приведено в табл. 2. Как видно из таблицы, у новорожденных больше общей воды за счет внеклеточной, а с возрастом ее количество уменьшается, т. е. организм становится как бы суше. Потери воды идут за счет внеклеточных жидкостей.

Большое количество волы внутри и вне клеток указывает на необходимость

ее для процессов жизнедеятельности организма. Необходимое содержание воды поддерживается за счет поступления ее извне с пищей (примере® 2 л в сутки); небольшое количество воды (0, 3 л в сутки) образуется в процессе распада веществ.

Однако в клетках различных органов человека содержание воды неодина­ково (см.- табл. 3), что определяется значением воды для функции той или иной ткани. В большинстве тканей воды 65—70%, а в крови и почках ее содержание превышает 80%. Низкое содержание воды в жировой ткани объясняется не­способностью жира удержать воду.

Почему же вода, простой оксид водорода, играет такую важную роль в жизнедеятельности организма? Причину следует искать в особых физико-хнми- чесхих свойствах воды, которые как нельзя лучше соответствуют биологическим функциям клеток.

Физико-химические свойства воды. Молекула воды Н₂0 полярна. Валент­ный угол Н—О—Н равен примерно 105°, поэтому молекула воды представляет собой диполь. Электрофильный атом кислорода притягивает спаренные электро­ны от атомов водорода и приобретает два частичных отрицательных заряда, а оба атома водорода имеют частичные положительные заряды. Одной из важнейших особенностей воды является способность ее молекул объединяться в структурные агрегаты благодаря образованию связей между разноименно заряженными полюсами диполей таким образом, что каждая молекула воды оказывается довольно прочно связанной с четырьмя соседними молекулами воды (рис. 1). Образуются ассоциаты, состоящие как минимум из пяти моле­кул воды. Теоретически все молекулы воды могут объединиться в одну простран­ственную сетку, как бы в одну гигантскую макромолекулу, однако водо-

родные связи при движении молекул воды быстро рвутся и так же быстро образуются новые. Поэтому между отдельными молекулами воды и ассоциатами су­ществует равновесие.

Необычная структура воды обусловливает ее уни­кальные физико-химические свойства. Высокая поляр­ность молекул воды (среди растворителей она облада­ет одним из самых больших электрических днпольных моментов) объясняет ее высокую диэлектрическую проницаемость (диэлектрическую постоянную) по сравнению с другими веществами. Для воды она равна 80, а, например, для такого хорошего раство­рителя, как этанол, — 24. Это значит, что силы сцепле­ния в веществе, помещенном в воду, ослабляются в 3, 5 раза больше,, чем в этаноле. Так полярность молекул воды обусловливает ее свойства прекрасно­го растворителя.

Вещества, находящиеся в водном растворе, имеют водную, или гидратную, оболочку, которая образуется в результате взаимодействия днпольных молекул воды с заряженными группами макромолекул или ионов. Чем больше гидратная' оболочка, тем лучше растворимо вещество.

Все неорганические и органические соединения, диссоциирующие на ионы, все биологические мономеры (аминокислоты, нуклеотнды, моносахариды, глице­рин), биополимеры (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды), имеющие полярные группы, растворимы и диффундируют в водной среде. Молекулы, содержащие неполярные цепи или отдельные группы, плохо растворимы или почти'нерастворимы в воде.

По отношению к воде молекулы или отдельные части молекул делят на гидрофильные, т. е. водорастворимые, и гидрофобные, т. £. водонерастворнмые.

Все перечисленные выше полярные соединения являются гидрофильными. К гидрофобным группам молекул относятся, например, углеводородные ради­калы жирных кислот и алифатических аминокислот, ароматические радикалы аминокислот. Гидрофобными являются молекулы трнацилглицеринов, стерои­дов и т. д.

-Молекулы некоторых соединений содержат как полярные (гидрофильные), так и неполярные (гидрофобные) группы. Такие соединения называются ом- фипатическими (от греч. amphy — двоякий; pathos — страдание) или амфи- фильными. К ним относятся жирные кислоты, полярные лнпиды (фосфолипи- ды); белки, нуклеиновые кислоты. Амфифильные молекулы играют важную роль в организации сложных надмолекулярных структур, особенно биологических, мембран.

Особенностями воды как растворителя не исчерпываются ее удивительные свойства. Образованием ассоциатов объясняются аномальные температуры кипения, плавления и высокая теплоемкость воды. Если бы молекулы воды не объединялись в ассоцнаты, то температура кипения ее, согласно положению гидрида кислорода в периодической системе, должна быть — 80°С, а темпера­тура' затвердевания — 100°С, т! е. нормальное состояние воды в условиях Земли было бы газообразным и жизнь была бы невозможна.

Теплоемкость воды более чем вдвое превышает теплоемкость любого биоло­гического вещества. Благодаря этому качеству вода может долго сохранять

тепло при изменении температуры окружающей среды и переносить его на рас­стояние, что важно для поддержания температуры организма.

Еще одно важное физико-химическое свойство воды — большое поверхност­ное натяжение, которое обусловлено взаимодействием между молекулами воды. Именно поверхностным натяжением объясняются капиллярные явления, т. е. поднятие воды вверх по очень тонким каналам. В растениях благодаря капил­лярным явлениям вода с растворенными в ней питательными веществами по­ступает по капиллярным сосудам от корня к побегам и наоборот — от листьев к нижним частям растений (транспирация).

Биологические функции воды. Суммируя сказанное, можно перечислить биологические функции, которые выполняет вода:

1) растворителя и стабилизатора растворенных биологических молекул и ионов;

2) регулятора теплового баланса организма (сохранение, распределение и отдача тепла);

3) транспортную функцию при транспнрационном токе питательных веществ в растениях;

4) механическую (гидратациоиную) функцию, т. е. способствует сохране­нию' внутриклеточного давления и формы клеток (тургор);

5) структурную (входит в виде структурной прослойки между полярными концами белков и липидов в биологических мембранах);

6) синтетическую, или анаболическую (как субстрат в синтезе биологиче­ских веществ);

7) гидролитическую, или ката бол ическую (как субстрат в разрыве свя­зей биологических веществ);

8) электронодонорную, или энергетическую (источник электронов при трансформации энергии в хлоропластах растений)..

Нарушение водного баланса клеток организма приводит к тяжелым по­следствиям, вплоть до гибели клеток. Функции клеток зависят от общего количества внутриклеточной и внеклеточной воды, от гидратационных слоев (обводненности) субклеточных структур, от водного микроокружения макро­молекул. Резкое изменение одного из этих факторов приводит к патологии, поэтому необходимы тонкие механизмы приспособления к сдвигам водного ба­ланса как в клетках, так и в организме в целом.

2. Неорганические ионы, их свойства и биологические функции

Неорганические, или минеральные, вещества находятся в клетках в виде ионов.

Распределение неорганических ионов между внутри- и внеклеточной средой. В клетках и внеклеточных жидкостях организма человека основными катионами являются Na⁺, К⁺, Ca^z+, Mg²" ¹". Содержание других катионов не­значительно. Среди анионов преобладают РО|~, CI^-, SO? ^-, НСО{7

Живой организм подчиняется физико-химическому закону электронейт­ральности, по которому суммы положительных зарядов катионов и отрица­тельных зарядов анионов должны быть равны, хотя и допускаются колебания в содержании отдельных катионов и анионов.

Концентрация главных неорганических катионов и анионов в межклеточ­ной жидкости и в плазме крови яочтн не отличается (см. табл. 4). Основным

катионом во внеклеточной среде является ион Na⁺ (свыше 90% от общей кон­центрации всех катионов), а из анионов — ионы С1~ и НСОГ (соответственно около 70 и 18%). Внутри клетки преобладают катион К⁺ (75%) и аниои РО§- (50%).

Для соблюдения правила электронейтральности не хватает некоторого! количества неорганических анионов. Это компенсируется анионами органи­ческих кислот (молочной, лимонной и т. д.) и ки& лых белков, несущих отрица-. тельные заряды. Вне клетки белки и органические киблоты компенсируют незна­чительную нехватку отрицательных зарядов, тогда как внутри клетки белки должны нейтрализовать примерно 25% положительных зарядов, создаваемых неорганическими катионами.

Для всех живых организмов характерна разница (градиент) концентра­ций основных неорганических ионов между внутриклеточным пространством и внеклеточной средой, которые разделены клеточной мембраной. Этот гра­диент существует только у живых организмов, после их гибели он исчезает.

Контакт между внутриклеточными и внеклеточными средами осуществля­ется через такую организованную структуру, как клеточная мембрана. Мембра­на обладает избирательной проницаемостью по отношению к отдельным ионам, и вообще непроницаема для таких крупных макромолекул, как белки, несущих довольно большой суммарный отрицательный заряд. Наличие полупроницаемой мембраны создает особые условия равновесия отдельных ионов по обе стороны мембраны. Этот тип равновесия называется равновесием Доннана. Оно возни­кает при наличии заряженных крупных коллоидных частиц с одной стороны мембраны.

Расчеты показывают, что градиент концентрации ионов по обе стороны мембраны создает в разных клетках потенциал порядка 60—80 мВ (милли­вольт). Внутренняя сторона клеточной мембраны относительно наружной заря­жена отрицательно.

Все биоэлектрические и электрофизиологические явления связаны с разной проницаемостью мембраны для важнейших неорганических ионов — натрия, калия, кальция и хлора. Это позволяет использовать физико-химические свойства ионов в качестве инструмента для управления биоэлектрическими про­цессами. Биоэлектрический потенциал тем выше, чем больше содержание белка и его ионизация (отрицательный заряд) внутри клетки и концентрация катионов вне клетки (клеточная мембрана обладает низкой проницаемостью для Na⁺

и К⁺).

Живая клетка подчиняется закону изоосмолярности. В соответствии с ним во всех средах организма, между которыми есть свободный обмен водой, уста­навливается одинаковое осмотическое давление. Если число ионов в какой-то среде возрастает, то вслед за ними устремляется вода, пока не установятся новое равновесие и новый уровень осмотического давления.

Кроме того, в живых организмах широко используется способность не­органических катионов к комплексообразованню с биомолекулам и. Ионы ме­таллов взаимодействуют с анионными группами макромолекул (белков, нуклеи­новых кислот). Катионы влияют или на конформацию этих молекул, или на их функцию. Иногда эта связь настолько прочна, что невозможно выделить нон металла без разрушения всей органической молекулы. Например, такова связь иона железа в кольце гема или металлов в белках —• металлопротеидах.

Биологические функции неорганических ионов. Неорганические ионы в жи­вой клетке выполняют различные биологические функции:

1) биоэлектрическую, связанную с возникновением разности потенциа­лов на клеточных мембранах. Это свойство ионов используется для регуляции функций особенно возбудимых клеток (нервных, мышечных) и для проведения нервных импульсов;

2) осмотическую, используемую для регуляции осмотического и гидроос­мотического давления;

3) структурную, обусловленную комплексообразующими свойствами ме­таллов. Ионы металлов входят в состав макромолекул (белков, нуклеиновых кислот, гема, хлорофилла и т. д.).

4) регуляторную, проявляющуюся в том, что ионы металлов, соединяясь с ферментами, оказыва1от влияние на их активность и регулируют скорость химических превращений в клетке. Это прямое регуляторное действие катионов. Косвенная регуляторная функция состоит в том, что ионы металлов необходимы для проявления действия другого регулятора, например гормона;

5) транспортную, основанную на участии некоторых металлов (в составе металлопротейдов) в переносе электронов или простых молекул. Например, катионы железа и меди входят в состав цитохромов, являющихся перенос­чиками электронов, а железо в составе гемоглобина связывает кислород и участвует в его переносе;

6) энергетическую, связанную с использованием неорганических фосфат­ных анионов в образовании АТФ из АДФ (АТФ — основной носитель энер­гии в живых системах);

7) механическую, или опорную. Например, катион кальция и анион фос­фора входят в состав гидроксилапатита и фосфата кальция костей и опреде­ляют их механическую прочность.

8) синтетическую, связанную с использованием неорганических анионов для синтеза сложных молекул. Например, I^- участвует в синтезе иодтиронинов в клетках щитовидной железы; анион SO*^- в синтезе эфиросерных соединений (при обезвреживании в организме природных и чужеродных веществ).

В биологических процессах возможна взаимозаменяемость некоторых ка­тионов и анионов. Иногда ион какого-либо металла (обычно при его недостат­ке) может замещаться ионом другого металла, близким по физико-химиче­ским свойствам и ионному радиусу. Например, натрий замещается литием; кальций — стронцием; молибден — ванадием; железо — кобальтом; иногда ионы магния — ионами марганца. Конечно, возможности замены ограничены, но о них следует помнить.

ГЛАВА 3. БЕЛКИ

1. Введение в хнмню белков

Белки, или протеины (от греч. protos — первый, важнейший), являются важ­нейшей составной частью клеток любого живого организма. Они не встречают­ся в неживой природе. Белкам принадлежит решающая роль во всех процессах жизнедеятельности.

Развитие представлений о белковых веществах

В 1728 г. Беккарн выделил первое белковое вещество из пшеничкой муки, названное «клейковиной». Он же показал его сходство с продуктами животного происхождения, например белком куриного яйца. Бракоино (1820) открыл в продуктах гидролиза белков аминокислоту глицин. Это первая аминокислота, найденная непосредственно в белковых веществах (ранее от­крытые аспарагни и цистнн были выделены из небелкового материала).

В 1838 г. после систематического изучения элементарного состава разных белдов Мульдер предложил теорию протеина (универсальный принцип построения белковых веществ).

В 1888 г. А. Я. Данилевский выдвинул гипотезу строения белка, получившую название «теории ваементарных рядов». Он первым предположил существование в белках связей — NH—СО—, как в биурете. В 1890 г. Гофмейстер впервые получил кристаллический белок — яичный альбумин. -