Основы биохимии - А. А. Анисимов 1986
Общая биохимическая характеристика живых организмов
Основные особенности метаболических процессов
Обмен веществ (метаболизм) живой клетки складывается в основном из двух потоков реакций — катаболических и анаболических.
Катаболические пути (катаболизм) — это процессы деградации, диссимиляции. Сюда относятся различные реакции расщепления (гидролиз, фосфоролиз) и окисления. Крупные органические молекулы расщепляются до простых веществ с одновременным выделением содержащейся в них свободной химической энергии. Энергия запасается организмом в форме АТФ и в ряде других соединений, а затем используется на процессы жизнедеятельности (см. рис. 7.8).
Анаболические пути (анаболизм) — процессы синтеза, ассимиляции. При этом из относительно простых молекул строятся сложные органические соединения. Эти пути часто включают в себя восстановительные реакции и осуществляются с затратой энергии.
Благодаря разной локализации ферментов катаболизма и анаболизма эти противоположные метаболические процессы протекают в клетке одновременно. Их связывают центральные, или амфиболические, процессы (рис. 1.1), Примером служит цикл трикарбоновых кислот (см. разд. 6.9.5).
Рис. 1.1. Связь катаболических и анаболических путей: ФH — ортофосфорная кислота, ФФН — пирофосфорная кислота
Тесная связь между анаболизмом и катаболизмом проявляется на трех уровнях.
1. На уровне источников углерода: продукты катаболизма могут быть исходными субстратами анаболических реакций.
2. На энергетическом уровне: в процессе катаболизма образуются АТФ и другие высокоэнергетические соединения; анаболические процессы протекают с их потреблением.
3. На уровне восстановительных эквивалентов: реакции катаболизма являются в основном окислительными; процессы анаболизма, наоборот, потребляют восстановительные эквиваленты.
Во взаимосвязи процессов анаболизма и катаболизма проявляется один из важнейших законов диалектического материализма — единства и борьбы противоположностей как внутренний источник развития (в данном случае — живой материи).
Основные биохимические реакции, их последовательность удивительно сходны у всех живых форм. По-видимому, они возникли на ранних этапах эволюции, и к тому моменту, когда началось видообразование, достигли совершенства. В особенности сходны центральные метаболические пути.
В процессе метаболизма осуществляются четыре специфические функции. 1. Извлечение энергии из окружающей среды (либо в форме энергии органических веществ, либо в форме энергии солнечного света). 2. Превращение экзогенных веществ в «строительные блоки», т. е. в предшественники биополимеров. 3. Сборка белков, нуклеиновых кислот, липидов, полисахаридов и других клеточных компонентов из этих строительных блоков. 4. Разрушение «устаревших» биомолекул, уже выполнивших в клетке свои функции.
С чисто химической точки зрения, метаболизм представляет собой совокупность огромного числа разнообразных реакций: окисления, восстановления, расщепления, объединения молекул, межмолекулярного переноса групп и т. д. Специфичным для обмена веществ живого организма является скоординированность отдельных реакций во времени и пространстве. Протоплазма клетки обладает сложной внутренней организацией, структурой. Отдельные биохимические процессы локализованы в определенных участках клетки, органеллах, мембранных образованиях. Так, синтез белка происходит в рибосомах, получение энергии в легко используемой форме — в митохондриях, анаэробная фаза дыхания, гликолиз — в цитоплазме, фотосинтез растений — в хлоропластах и т. д. Многочисленные мембраны как бы делят клетку на отделы, отсеки, компартменты (от англ. compartment), поэтому разнообразные биохимические реакции, зачастую противоположного характера, идут в клетке одновременно, не мешая друг другу, вследствие пространственного разделения — компартментализации. В этом и выражается пространственная скоординированность биохимических реакций.
Не менее важна их координация во времени. Игра любого оркестра только тогда дает гармоническое сочетание звуков, приятное для слуха, когда инструмент каждого оркестранта издает звуки в точно определенное время, предусмотренное партитурой. Точно так же и в клетке отдельные биохимические реакции протекают в строго определенной временной последовательности, часто образуя длинные цепи взаимосвязанных реакций. Например, гликолиз углеводов протекает в 11 реакций, строго следующих одна за другой, при этом каждая предыдущая создает условия для осуществления следующей. Очень важно, что эта пространственная и временная скоординированность, гармоничность биохимических реакций направлены на достижение одной цели: самовозобновление, самосохранение данной живой системы — организма, клетки. Это характерно для любого живого организма, даже микроскопического.
На первый взгляд, возникает вопрос: не противоречит ли сказанное выше второму закону термодинамики, согласно которому для самопроизвольно протекающих процессов характерно стремление к увеличению энтропии, т. е. неупорядоченности, хаотичности. Нет, живые организмы также подчиняются этому закону. Они потребляют из окружающей среды энергию в форме питательных веществ, частично используют свободную энергию последних и возвращают в окружающую среду энергию в форме тепла и других бесполезных или малополезных для жизни форм энергии. В результате этого энтропия среды увеличивается, а живые организмы создают и поддерживают характерную для них упорядоченность.
Поглощая питательные вещества из внешней среды, живые организмы получают не только энергию, но и строительный материал; конечные продукты обмена веществ выводятся в среду. Такие системы, в которых непрерывно происходит поступление и удаление веществ, а также обмен со средой энергией, называются открытыми системами. Их характерная особенность заключается в отсутствии равновесия с внешней средой.
При термодинамическом равновесии системы все параметры постоянны во времени, нет никаких стационарных потоков за счет действия внешних источников. Энтропия термодинамического равновесия максимальна, свободная энергия равна нулю. В отличие от термодинамического равновесия в биосистемах существует стационарное состояние, при котором скорость переноса вещества и энергии из среды в систему точно соответствует скорости переноса вещества и энергии из системы. Один из ведущих современных специалистов в области биоэнергетики А. Ленинджер называет живую клетку «неравновесной открытой системой, машиной для извлечения из внешней среды свободной энергии; в результате чего происходит возрастание энтропии среды». В понимании живой клетки как открытой системы в стационарном состоянии отражается важнейшее свойство всего живого — постоянный обмен веществ с окружающей средой.
Рассмотрение живого организма как открытой стационарной системы хорошо объясняет явление гомеостаза — постоянства состава внутренней среды организма, устойчивость и стабильность биохимических параметров. Например, содержание глюкозы в крови у здорового человека колеблется в достаточно узком интервале (около 5 мМ), pH крови всегда равен 7,40 ±0,05 и т. д.
Живая клетка не только потребляет вещества, но и экскретирует продукты распада, является открытой системой. Между поступлением питательных веществ в организм и выделением отработанных продуктов существует сложная, часто разветвленная система промежуточных реакций. Если скорости образования и распада промежуточных продуктов равны, устанавливается стационарное состояние. Но в окружающей среде содержание некоторых питательных веществ может резко увеличиться или уменьшиться, вследствие этого изменится скорость их поступления в клетку. Под влиянием различных факторов может увеличиваться или уменьшаться скорость той или иной промежуточной реакции, скорость выведения веществ из клетки. В результате значительно изменяются стационарные концентрации компонентов системы.
Однако в живой клетке, организме есть многочисленные чувствительные механизмы, которые «выявляют» сдвиги концентраций и компенсируют их, возвращают к норме. При изменении условий стационарного состояния в открытой системе развиваются процессы, направленные на сохранение свойств системы, — динамическая стабилизация стационарного состояния. В большинстве случаев эти механизмы функционируют по принципу обратной связи. Так, при снижении содержания глюкозы в крови (например, вследствие голодания) происходит возбуждение определенного центра в головном мозгу, в результате чего начинает действовать сложный гормонально-ферментативный механизм расщепления запасного углевода гликогена в печени до глюкозы, которая поступает в кровь. Как только ее содержание в крови поднимается до нормы, соответствующий центр головного мозга перестает возбуждаться, механизм расщепления гликогена выключается. Это один из многочисленных примеров функционирования живого организма как саморегулирующейся системы.
Таким образом, относительное постоянство биохимических параметров живого организма не статическое, пассивное (подобно устойчивости гранитной скалы или железобетонного моста), а активное, динамическое. В организм непрерывно поступают вещества из среды, они ассимилируются, из них образуются вещества самого организма, вместе с тем постепенно «стареют» молекулы ранее имевшихся в организме соединений, идут реакции катаболизма, диссимиляции, продукты расщепления удаляются. Все эти реакции находятся под контролем генетического аппарата организма, поэтому вновь образующиеся в нем вещества соответствуют признакам наследственности.
За небольшие промежутки времени внешние признаки организма могут не измениться, в то время как его вещества существенно обновятся. Методом меченых атомов установлено, например, что половина всех белков обновляется за 80 дней, а полное обновление воды происходит за 30 дней. Виднейший английский исследователь и прогрессивный общественный деятель Дж. Бернал1 писал: «Молекулы в нашем теле и во всяком организме находятся в состоянии непрерывного восстановления, и атомы протекают через него почти непрерывным потоком. Весьма вероятно, что никто из нас не сохранил больше чем несколько атомов, с которыми мы начали свою жизнь и что, даже будучи взрослыми, мы, вероятно, меняем большую часть материала нашего тела всего за несколько месяцев». Коротко эту мысль так выразил великий диалектик древней Греции Гераклит: «Наши тела текут как ручьи, вещество в них возобновляется как вода в потоке». В постоянном обновлении веществ живого организма проявляется диалектический закон отрицания: новое отрицает старое, затем оно само становится старым и тоже отрицается новым.
Важнейшей особенностью всех биохимических реакций является их большая скорость, обусловленная присутствием ферментов — биологических катализаторов. Те же реакции вне организма при участии химических катализаторов обладают скоростью на не сколько порядков меньше: Ферменты как катализаторы значительно более совершенны, чем химические катализаторы.
1 Бернал Дж. Наука в истории общества. М., 1956, с. 483.
Для метаболических процессов характерны также ступенчатость и сопряженность. Многие реакции в клетке идут обычно через ряд промежуточных этапов, ступеней. Например, окисление углеводов (клетчатка, крахмал и т. д.) в процессе сгорания вне организма протекает одноэтапно — присоединяется O2 и сразу образуются конечные продукты окисления СO2 и Н2O.
В живом организме окисление углеводов в процессе дыхания до СO2 и Н2O происходит ступенчато, более чем через 20 промежуточных реакций. Достаточно часто имеет место сопряженность отдельных реакций, взаимозависимость друг от друга. Так, многие реакции биосинтеза, будучи энергопотребляющими, сопряжены обычно с экзэргоническими, в процессе которых свободная энергия выделяется в легко используемой форме. Сопряженность хорошо выражена и в многоэтапных цепных процессах, где продукты каждой предыдущей реакции являются исходными соединениями для последующей.
В последние годы в литературе все больше появляется сведений о жидкокристаллическом состоянии в водных средах многих важнейших биополимеров (в том числе белков, нуклеиновых кислот, липидов, полисахаридов), о жидкокристаллических свойствах структур клетки (например, биомембран). Этот новый аспект биохимических исследований позволяет более глубоко и полно понять многие метаболические процессы, объяснить поведение тех или иных веществ в процессе жизнедеятельности.
В жидкокристаллическом состоянии веществу одновременно присущи свойства и жидкости (способность течь, образовывать капли), и твердого тела (строгая упорядоченность кристаллической структуры). Вместе с тем у жидких кристаллов есть собственные свойства, характерные только для них (способность образовывать монокристаллы во внешнем электромагнитном поле, крайне большая оптическая активность и др.). Для понимания биохимических явлений очень важна чрезвычайная чувствительность жидких кристаллов ко многим внешним воздействиям. Жидкие кристаллы, для которых характерна одно- или двумерная упорядоченность, обладают способностью к самоорганизации, спонтанному образованию упорядоченной структуры и ее воспроизведению. Это представляет большой интерес при исследовании и объяснении структурообразования в живых клетках.
Ни одна из перечисленных особенностей метаболических процессов не может претендовать на то, что она является единственным фактором, придающим системе свойство живого. Жизнь как качественно своеобразная, самая сложная форма движения материи может быть понята и объяснена только с позиций совокупного рассмотрения всех особенностей этой формы существования белковых тел с ее постоянным обменом веществ с окружающей средой.