Підручник - БІОЛОГІЧНА ХІМІЯ - Губський Ю.І. - 2000

Розділ I. БІОМОЛЕКУЛИ ТА КЛІТИННІ СТРУКТУРИ

ГЛАВА 1. БІОХІМІЧНІ КОМПОНЕНТИ КЛІТИН

Біохімічний склад живих організмів суттєво відрізняється від хімічного складу компонентів неживої природи на Землі та відомих космічних об’єктах.

Особливості хімічного складу живих організмів

У живих організмах в складі біоорганічних сполук та у вільному стані виявлено більше 40 різних хімічних елементів, що знаходяться також у складі літосфери та атмосфери.

Разом з тим, кількісний склад та розподіл хімічних елементів у живих організмах та в земній корі суттєво відрізняються, тобто виникнення життя в умовах Землі було пов’язане з відбором хімічних елементів.

Так, зокрема, якщо в складі земної кори більше 1/3 її кількості займають Al та Si, то вони практично відсутні в біологічних системах або зустрічаються у слідових кількостях. З іншого боку, вуглець (С), азот (N), водень (Н) та фосфор (Р) сконцентровані в живих організмах у кількостях, що в 20-200 разів перевищують їх вміст у об’єктах неживої природи (табл. 1.1):

Таблиця 1.1. Вміст хімічних елементів (%) в земній корі та в організмі людини

Найбільшу кількість (більше 99 % елементного складу) в живих організмах складають такі елементи, як вуглець (С), кисень (О), водень (Н), азот (N), фосфор (P), сірка (S).

Ці елементи входять до складу всіх біоорганічних сполук живих організмів (біомолекул) і отримали назву біоелементів, або органогенів.

Біохімічні компоненти клітини

Біомолекули — біоорганічні сполуки, що входять до складу живих організмів та спеціалізовані для утворення клітинних структур і участі в біохімічних реакціях, які становлять сутність обміну речовин та фізіологічних функцій живих клітин.

Функції біомолекул у живих організмах.

а) участь у біохімічних реакціях обміну речовин в ролі субстратів та проміжних продуктів (метаболітів). Прикладами є моносахариди та їх фосфорні ефіри, жирні кислоти та продукти їх окислення, амінокислоти, кетокислоти, дикарбонові кислоти, пуринові та піримідинові основи тощо;

б) участь в утворенні інших, більш складних молекул — білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів, ліпідів (наприклад, амінокислоти, нуклеотиди, вищі жирні кислоти тощо), або біологічних структур (мембран, рибосом, ядерного хроматину тощо);

в) участь у регуляції біохімічних процесів та фізіологічних функцій окремих клітин та цілісного організму. Біомолекулами-регуляторами є вітаміни, гормони та гормоноподібні сполуки, внутрішньоклітинні регулятори — циклічні нуклеотиди цАМФ, цГМФ тощо.

Головні класи біомолекул, що складають основу структури та функції живих організмів.

Білки та амінокислоти. Білки (протеїни) — найважливіший клас біомолекул, з наявністю яких, а також нуклеїнових кислот, пов’язують саму хімічну сутність життя в умовах Землі. Білки є біополімерами, що складаються з двадцяти L-амінокислот, які утворилися в умовах хімічної еволюції на етапі «переджиття» (П. Тейяр де Шарден) і становлять разом з нуклеотидами молекулярну абетку будь-якої живої клітини. Головний внесок у становлення уявлень про пептидну будову білкових молекул зроблено видатним німецьким хіміком-органіком та біохіміком Е. Фішером.

Рис. 1.1. Фішер (Fischer) Еміль Герман (1852-1919). Наукові розробки з хімії пептидів, вуглеводів, пуринів. Нобелівська премія (1902).

Нуклеїнові кислоти та нуклеотиди. Нуклеїнові кислоти — дезоксирибонуклеїнові (ДНК) та рибонуклеїнові (РНК) — біополімери (біомакромолекули), що складаються з п’яти основних нуклеотидів пуринового та піримідинового ряду, є носіями генетичної інформації у всіх живих організмах, починаючи від найпростіших вірусів до організму людини. Лінійна послідовність певних мононуклеотидів у складі генетичних молекул нуклеїнових кислот детермінує послідовність амінокислотних залишків у відповідному білку (пептиді). Сутність генетичного (біологічного) коду полягає в тому, що послідовність із трьох нуклеотидів (триплет, або кодон) у молекулі ДНК або РНК відповідає одній з 20 L-амінокислот, що включається на певне місце пептидного ланцюга, який синтезується.

Відкриття нуклеїнових кислот — хімічних сполук, вивчення структури та властивостей яких принципово змінило обличчя сучасних біології та медицини, — людство зобов’язане швейцарському лікарю та біохіміку Ф. Мішеру (1869 р.), який вперше виявив у клітинних ядрах (nucleus) фосфатовмісні сполуки кислого характеру.

Рис. 1.2. Мішер (Miescher) Іоган Фрідріх (1844-1895). Першовідкривач нуклеїнових кислот.

Сучасна молекулярна біологія народилася майже через 100 років після відкриття Ф. Мішером нуклеїнових кислот в результаті фундаментального дослідження Дж. Уотсона (J. Watson) та Фр. Кріка (Fr.Crick) (1953 р.). Дж. Уотсон та Фр. Крік постулювали для молекули ДНК структуру типу «подвійної спіралі», що стало передумовою розкриття основних закономірностей її подвоєння — реплікації та пояснило фундаментальну загадку життя — можливість консерватизму спадковості шляхом копіювання спадкових ознак у прийдешніх поколіннях. Подальша розшифровка генетичного коду, тобто відповідності послідовностей триплетів нуклеотидів в молекулах генетичних нуклеїнових кислот послідовностям амінокислот в білкових молекулах, та з’ясування біологічних функцій різних класів РНК дозволило сформулювати основні закономірності молекулярної біології, які визначають напрямки перенесення біологічної інформації у

всіх живих системах:

Вуглеводи та їх похідні — клас біомолекул, що складається з моносахаридів, гомо- та гетерополісахаридів. В організмі людини та тварин моносахариди (глюкоза, фруктоза, галактоза) та гомополісахарид глікоген виконують енергетичні функції; гетерополісахариди (до складу яких як мономери входять переважно аміноцукри-гексозаміни та їх N-ацетильовані похідні) беруть участь в утворенні біологічних структур (мембран, глікокаліксу, сполучної тканини).

Ліпіди та їх похідні — біомолекули різноманітної хімічної будови, головною особливістю яких є їх гідрофобний характер. Ліпіди виконують численні біологічні функції, виступаючи як енергетичний матеріал (триацилгліцероли, або нейтральні жири), основа структури біомембран (фосфоліпіди, гліколіпіди), фізіологічно активні сполуки з регуляторною дією (стероїдні гормони, жиророзчинні вітаміни, ейкозаноїди).

Вітаміни — сполуки, що не синтезуються в тваринних організмах, але необхідні для життєдіяльності, зокрема є компонентами метаболізму, за участю яких функціонують певні найважливіші ферментні системи. Вітаміни повинні постійно надходити в організм у складі продуктів харчування, переважно рослинного (більшість водорозчинних вітамінів) або тваринного (деякі жиророзчинні вітаміни) походження.

Гормони — біомолекули, що є передавачами хімічних сигналів у системі ендокринної регуляції. Завдяки регуляторній дії гормонів, медіаторів нервової системи та наявності локалізованих на клітинах-мішенях біохімічних структур, що специфічним чином реагують на дію цих біорегуляторів зміною своєї функціональної активності (клітинних рецепторів), відбувається інтеграція окремих анатомо-фізіологічних систем у цілісний багатоклітинний організм.

Крім зазначених біоорганічних молекул, до складу всіх живих організмів входить певна кількість вільних амінокислот, азотистих сполук, нуклеотидів, низькомолекулярних моно-, ди- і трикарбонових кислот, спиртів, амінів, що є проміжними продуктами обміну речовин. У всіх живих організмах міститься значна (стала) кількість води та мінеральних елементів (зокрема кальцію, калію, натрію, магнію, заліза, марганцю, хлору, йоду), що виконують специфічні регуляторні та структурні функції, беруть участь як кофактори в багатьох ферментних реакціях, є компонентами металозалежних ферментів.

Хімічний склад живих клітин відрізняється у прокаріотів та еукаріотів, і в багатоклітинному організмі суттєво залежить від функціональної спеціалізації клітини, що, в свою чергу, визначається її диференціацією, яка відбувається протягом раннього онтогенезу. Склад головних біохімічних компонентів у найбільш вивчених об’єктах дослідження біохімії та молекулярної біології — кишковій паличці Escherichia Coli (E.Coli) та печінці білих щурів — наведено в табл. 1.2.

Таблиця 1.2. Хімічний склад (% загальної маси) метаболічно активних клітин прокаріотів та еукаріотів

Середній кількісний хімічний склад організму людини подано в табл. 1.3.

Таблиця 1.3. Загальний хімічний склад організму людини масою 65-70 кг

(за S. Rapoport, 1964; R. Murray, 1988, середні дані)

Біохімічний склад усіх живих організмів знаходиться в стаціонарному стані, тобто в стані постійного оновлення всіх клітинних компонентів, яке забезпечується безперервним обміном речовинами та енергією з навколишнім середовищем (метаболізмом). Для всіх класів біомолекул характерна середня тривалість напівжиття (Т_1/2), протягом якого компоненти певної біологічної структури (цілого організму, органа, тканини, клітинної структури) обмінюються наполовину. В організмі людини Т_1/2 білків усього тіла складає в середньому 12 тижнів, білків печінки — 2 тижні, білків м’язів — 27 тижнів; напівоновлення білків кісткової тканини займає багато місяців (А.Я. Николаєв, 1998).

Основні біохімічні перетворення біомолекул, які становлять сутність обміну речовин, відбуваються внутрішньоклітинно, в субклітинних органелах — ядрі, мітохондріях, рибосомах, ендоплазматичному ретикулумі, лізосомах, пероксисомах, апараті Гольджі. Для кожної субклітинної структури притаманні певна сукупність ферментів, що в ній містяться, та певна послідовність реакцій обміну речовин — компартменталізація метаболізму (від англ. compartment — відсік, відділення). Схему будови живої клітини подано на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Схема будови клітини людини і тварин:

1— плазматична мембрана; 2— піноцитозна бульбочка; 3 — апарат Гольджі; 4 — центріолі; 5 — рибосоми; 6 — ядерна мембрана; 7 — ендоплазматичний ретикулум; 8 — мітохондрія; 9 — ядерце; 10 — ядро; 11 — цитоплазма (цитозоль); 12 — лізосома.

У зв’язку з динамічним станом всіх біологічних структур живі організми повинні постійно отримувати із середовища у вигляді продуктів харчування основні біомолекули — білки, вуглеводи, ліпіди, вітаміни, а також воду і певні неорганічні сполуки. Залежно від того, в якому вигляді організм отримує з навколишнього середовища енергію та вуглець, необхідні для побудови власних біомолекул — метаболітів і структурних елементів, — усі організми поділяються на два класи: аутотрофи (мікроорганізми та рослинні організми, що синтезують свої вуглецьвмісні молекули із атмосферного діоксиду вуглецю та води за рахунок енергії сонячного світла) та гетеротрофи (тваринні організми, до яких належить організм людини, що отримують вуглець у вигляді складних органічних молекул їжі та енергію за рахунок реакцій біологічного окислення).

Оскільки живі організми є не тепловими, ахімічними машинами, тобто системами, в яких різні види роботи здійснюються за умов сталої температури, джерелом енергії для ендергонічних процесів, що відбуваються в гетеротрофних клітинах, є хімічна енергія, яка звільняється в результаті реакцій окислення біомолекул — проміжних продуктів внутрішньоклітинного розщеплення моносахаридів (переважно глюкози), жирних кислот, гліцерину, деяких амінокислот. Основні реакції біологічного окислення, що вивільняють енергію, необхідну для процесів життєдіяльності, відбуваються в мітохондріях (саркосомах), у мембранах яких локалізовані також складні ферментні та йон-транспортуючі системи, які реалізують накопичення енергії окислювальних процесів у вигляді високоенергетичних (макроергічних) зв’язків АТФ.

Походження біомолекул

Принципово важливим, фундаментальним завданням сучасної біохімії є розв’язання проблеми виникнення життя на Землі, хімічної еволюції, що передувала появі перших живих організмів. Згідно з існуючими уявленнями, витоки яких були закладені ще Чарльзом Дарвіном (1871), створення біомолекул та перших примітивних живих клітин відбувалось в умовах прадавньої Землі під впливом фізичних факторів атмосфери приблизно 3 млрд. років тому за такою схемою:

Вирішальним етапом у розвитку проблеми походження біомолекул в умовах первісної земної кори стали дослідження з абіогенного синтезу біоорганічних сполук, що входять до складу живих організмів. Визначним досягненням в експериментальному доведенні можливостей хімічної еволюції стало класичне дослідження С. Міллера (S. Miller, 1951), який вперше показав можливість утворення карбонових кислот та α-амінокислот, що використовуються для синтезу природних білків, за умов дії електричних розрядів на газову суміш метану, аміаку, водню та водяної пари.

Пізніше була доведена можливість утворення із зазначених хімічних сумішей в умовах, що моделювали первісну атмосферу, не тільки амінокислот, а й пуринів і піримідинів, тобто попередників нуклеїнових кислот.

У послідовностях реакцій, що призводять до абіогенного синтезу азотовмісних біоорганічних сполук, центральне місце займає ціанід воднюHCN, що може утворюватися, зокрема, в такій реакції:

У подальшому ціановодень може перетворюватися до ціанаміду, нітрилів та ціаноацетилену — попередників у синтезі амінокислот, пуринів, піримідинів, порфіринів:

Наведені реакції, які свідчать про можливість утворення біомолекул за умов, що моделюють первісну атмосферу Землі, мають фундаментальне значення для сучасного розуміння проблеми виникнення життя. Проте, оскільки синтез макромолекул білків та нуклеїнових кислот в умовах існуючих біосистем є матричним, тобто послідовність включення окремих мономерів в макромолекули (амінокислот та мононуклеотидів, відповідно) програмується на основі інформації, яка закладена в послідовностях матричних ланцюгів ДНК або РНК, головною нез’ясованою проблемою в питанні походження життя є синтез первісних інформаційних молекул, що, попри існуючі теорії та гіпотези, належить до нерозв’язаних фундаментальних загадок сучасної теоретичної біохімії.