Основы биохимии Том 1 - А. Ленинджер 1985

Биомолекулы
Биохимия - молекулярная логика живых организмов
Для живой материи характерны некоторые отличительные особенности

Около 20 миллиардов лет назад произошел сверхмощный взрыв, и все пространство заполнилось раскаленными субатомными частицами с очень высокой энергией. Так возникла Вселенная. Постепенно, по мере остывания Вселенной, из этих элементарных частиц сформировались положительно заряженные ядра, к которым стали притягиваться отрицательно заряженные электроны. Таким путем образовалось около сотни или несколько более химических элементов. Все атомы, присутствующие сегодня во Вселенной, в том числе и атомы, входящие в состав живых организмов, возникли в результате этого «большого взрыва», так что и мы, люди, и вообще все живые существа созданы из звездной пыли.

Простые органические соединения, из которых построены все организмы, присущи лишь живой природе и в современных земных условиях являются продуктами только биологической активности. Эти соединения, называемые биомолекулами, играют роль строительных блоков при образовании биологических структур; они были отобраны в ходе биологической эволюции благодаря их пригодности к выполнению строго определенных функций в живых клетках. Во всех организмах эти соединения одинаковы. Биомолекулы связаны между собой и взаимодействуют в соответствии с правилами «молекулярной игры» - молекулярной логики живого состояния. Размеры, форма и химические свойства биомолекул позволяют им не только служить строительными блоками при создании сложной структуры клеток, но и участвовать в непрекращающихся процессах превращения энергии и вещества. Биомолекулы следует рассматривать, таким образом, с двух точек зрения - химической и биологической. Биохимия - это суперхимия, т. е. химия наиболее высокоорганизованной материи.

Межзвездный газ и пыль в созвездии Стрельца В межзвездном пространстве присутствует большое число простых органических соединений, которым приписывают роль предшественников биомолекул, существующих на Земле и, как знать, быть может, еще где-нибудь во Вселенной.

Объекты живой природы состоят из «неживых» молекул. Если эти молекулы выделить и каждый их вид исследовать в отдельности, то можно убедиться, что они подчиняются всем законам физики и химии, описывающим поведение неодушевленной материи. Тем не менее живые организмы обладают необычными свойствами, отсутствующими в скоплениях неживых молекул. Если мы поближе познакомимся с этими особыми свойствами, то нам станут более понятны те основные вопросы, ответы на которые пытается найти биохимия.

Одна из наиболее примечательных особенностей живых организмов - это их сложность и высокая степень организации. Они характеризуются усложненным внутренним строением и содержат множество различных сложных молекул. Живые организмы представлены миллионами разных видов, тогда как окружающая нас неживая материя - глина, песок, камни, вода - состоит из неупорядоченных смесей сравнительно простых химических соединений.

Вторая особенность живых организмов заключается в том, что любая составная часть организма имеет специальное назначение и выполняет строго определенную функцию. Это относится не только к макроскопическим структурам и, в частности, к органам, таким, как сердце, легкие или мозг, но и к микроскопическим внутриклеточным структурам, таким, как клеточное ядро. Даже индивидуальные химические соединения, содержащиеся в клетке, например белки или липиды, наделены специальными функциями. Поэтому вполне правомерен вопрос о том, для какой цели понадобилась живому организму та или иная молекула или химическая реакция, тогда как спрашивать о функции различных химических соединений, входящих в состав неживой материи, абсолютно бессмысленно.

Третья особенность живого, благодаря которой мы ближе подходим к сути жизненных процессов, состоит в том, что живые организмы обладают способностью извлекать, преобразовывать и использовать энергию окружающей их среды - либо в форме органических питательных веществ, либо в виде энергии солнечного излучения. Эта энергия позволяет организмам создавать собственные богатые энергией сложные структуры и поддерживать их целостность. Кроме того, за счет этой энергии организмы выполняют механическую работу при передвижении; она также дает возможность осуществлять перенос различных веществ через мембраны. Живые организмы никогда не бывают в состоянии равновесия - это касается как процессов, идущих в самих организмах, так и их взаимодействия с окружающей средой. Неживая материя, напротив, неспособна к целенаправленному использованию энергии для поддержания своей структуры и выполнения работы. Предоставленная самой себе, она постепенно разрушается и со временем переходит в неупорядоченное состояние; при этом устанавливается равновесие с окружающей средой.

Рис. 1-1. Некоторые характерные особенности живой материи - «признаки жизни». А. Поперечный срез фотосинтезирующей клетки, на котором видна ее тонкая и сложная структура: темные образования - это хлоропласты, содержащие тысячи молекул хлорофилла, ориентированных так, чтобы они могли улавливать солнечную энергию. Б. Длинный хоботок бабочки бражника в результате длительной биологической эволюции оказался приспособленным к извлечению нектара из цветков с длинным раструбом. В. Дельфины, питающиеся мелкой рыбой, преобразуют химическую энергию пищевых продуктов в мощные импульсы мышечной энергии. Г. Биологическое самовоспроизведение происходит с почти идеальной точностью.

Но самая поразительная особенность живых организмов - это их способность к точному самовоспроизведению - свойство, которое можно считать поистине квинтэссенцией живого состояния. Известные нам смеси веществ, входящие в состав неодушевленных предметов, не проявляют способности к росту и воспроизведению, обеспечивающему сохранение из поколения в поколение одинаковой формы, массы и внутренней структуры этих предметов.