Основы биохимии Том 1 - А. Ленинджер 1985
Биомолекулы
Биохимия - молекулярная логика живых организмов
Живые организмы способны к точному самовоспроизведению
Самое замечательное свойство живых клеток - это их способность воспроизводить себе подобных с почти идеальной точностью на протяжении сотен и тысяч поколений. Следует сразу же отметить три характерные особенности процесса воспроизведения. Во-первых, живые организмы настолько сложны, что трудно себе представить, каким образом передаваемое из поколения в поколение количество генетической информации может уместиться в крошечном клеточном ядре, в котором эта информация хранится. Мы знаем теперь, что вся генетическая информация, содержащаяся в бактериальной клетке, заключена в одной большой молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). А гораздо большее количество генетической информации, содержащееся в одной половой клетке человека, закодировано в наборе молекул ДНК общей массой всего лишь 6∙10-12 г. Это позволяет нам сформулировать еще один важный принцип молекулярной логики живого состояния:
Генетическая информация закодирована при помощи структурных единиц субмолекулярных размеров; эти единицы представляют собой четыре типа нуклеотидов, из которых построены все молекулы ДНК.
Рис. 1-9. Единичная молекула ДНК, высвободившаяся из разрушенной клетки бактерии Hemophillus influenzae. Молекула ДНК в сотни раз длиннее самой клетки.
Вторая замечательная особенность процесса самовоспроизведения живых организмов - необычайно высокая стабильность генетической информации, хранящейся в ДНК. До наших дней сохранились лишь немногие древние записи, хотя они были вытравлены на медных пластинках или высечены на камне. Например, рукописи Мертвого моря и Розеттский камень, давший ключ к расшифровке древнеегипетских иероглифов, насчитывают всего несколько тысячелетий. Однако есть все основания считать, что многие современные бактерии имеют почти те же размеры, форму, внутреннюю структуру и содержат те же типы строительных блоков молекул ферментов, что и бактерии, жившие миллионы лет назад. И это постоянство сохраняется, несмотря на то что бактерии, как и все другие организмы, подвержены непрерывным эволюционным изменениям. Генетическая информация не записана на меди и не выбита на камне, а хранится в форме ДНК - настолько хрупкой органической молекулы, что она разрывается на множество фрагментов при простом перемешивании содержащего ДНК раствора или втягивании его в пипетку.
Рис. 1-10 Комплементарность между кодирующими элементами двух цепей ДНК.
Цепи ДНК часто рвутся даже и в неповрежденной клетке, но там они быстро и автоматически восстанавливаются. Замечательная способность живых клеток сохранять свой генетический материал есть следствие структурной комплементарности. Одна цепь ДНК служит матрицей, на которой ферментативным путем строится или восстанавливается другая структурно комплементарная ей цепь. Однако, несмотря на почти идеальную точность процесса генетической репликации, в ДНК изредка происходит то или иное очень небольшое изменение — мутация, которая может приводить к появлению либо более совершенного и более приспособленного потомства, либо, наоборот, потомства, менее способного к выживанию. Таким путем живые организмы непрерывно повышают свою способность к выживанию, причем под влиянием изменений в окружающей среде возникают новые виды, претерпевающие дальнейшую эволюцию.
Рис. 1-11. Информация, записанная в виде линейной последовательности нуклеотидов в ДНК. транслируется (т. е. переводится) в трехмерную структуру белков.
Рассмотрим третью замечательную особенность переноса генетической информации в живых организмах. Генетическая информация закодирована в форме линейной, одномерной, последовательности нуклеотидов - строительных блоков ДНК. Но живые клетки имеют трехмерную структуру и состоят из трехмерных компонентов. «Одномерная» информация, заключенная в ДНК, преобразуется в «трехмерную» информацию, присущую живым организмам, путем трансляции (т. е. перевода с одного языка на другой) структуры ДНК в структуру белка. В этом процессе принимает участие рибонуклеиновая кислота (РНК). В отличие от молекул ДНК, имеющих в основном одинаковую структурную форму, молекулы разных белков самопроизвольно свертываются характерным для данного белка способом, образуя самые разнообразные трехмерные структуры, каждая из которых выполняет специфическую функцию. Точная геометрия молекул данного белка определяется его аминокислотной последовательностью, которая в свою очередь определяется нуклеотидной последовательностью соответствующего участка ДНК.
Теперь мы можем суммировать основные принципы молекулярной логики клеток:
Живая клетка - это способная к самосборке, саморегуляции и самовоспроизведению изотермическая система органических молекул, извлекающая свободную энергию и сырьевые ресурсы из окружающей среды.
В клетке осуществляется множество последовательно протекающих органических реакций, ускоряемых органическими катализаторами (ферментами), которые производит сама клетка.
Клетка сама себя поддерживает в стационарном динамическом состоянии, далеком от равновесия с окружающей средой. Она функционирует по принципу максимальной экономии компонентов и процессов.
Способность клетки к почти точному самовоспроизведению на протяжении многих поколений обеспечивается самовосстанавливающейся системой линейного кодирования.
Цель биохимии состоит в том, чтобы понять, каким образом взаимодействия биомолекул друг с другом порождают описанные выше особенности живого состояния. Рассматривая молекулярную логику живых клеток, мы ни разу не столкнулись с нарушением известных физических законов или с необходимостью сформулировать какие-либо новые законы. «Мягкие» органические механизмы, обеспечивающие функционирование живых клеток, подчиняются той же совокупности законов, которые управляют работой машин, созданных человеком; однако химические реакции и регуляторные процессы, протекающие в клетках, гораздо более совершенны и намного превосходят возможности современной химической технологии.
Хотя мы отдаем себе отчет в том, что сформулированные нами принципы, составляющие в совокупности молекулярную логику живого состояния, носят несколько упрощенный и механистический характер, они, по всей видимости, распространяются на все живые клетки. Возникает вопрос: а можно ли молекулярную логику живого состояния в том виде, в каком она здесь изложена, использовать для описания сложных многоклеточных организмов и особенно для описания наиболее высокоорганизованных форм жизни? Можно ли ее приложить к организму человека с его необычайной и уникальной способностью мыслить, говорить и творить? Мы еще не можем даже и пытаться ответить на эти вопросы, хотя теперь знаем, что развитие и поведение высших организмов определяются молекулярными факторами и видоизменяются под их влиянием; следовательно, развитие и поведение высших организмов должны иметь биохимическую основу. Однако пока у нас нет ответов на эти более сложные вопросы, так как сегодняшней биохимии известна лишь очень малая доля того, что нам предстоит еще узнать о живых организмах.
В этом общем обзоре мы показали, что биохимия - это не просто описание каких-то разрозненных химических данных о живой материи, но что она покоится на некой основополагающей системе, включающей ряд важных организующих принципов. Теперь, когда мы приступаем к изучению биохимии, эти организующие принципы будут служить нам основными ориентирами. Сначала мы опишем различные классы биомолекул. Затем мы перейдем к анализу изотермических, последовательно связанных друг с другом, саморегулируемых ферментативных реакций, составляющих систему, через которую осуществляется обмен веществом и энергией между организмом и окружающей средой, т.е. метаболизм. Наконец, мы рассмотрим молекулярные основы самовоспроизведения клеток и преобразования «одномерной» информации, содержащейся в ДНК, в трехмерную структуру белков. По ходу дела мы увидим, что биохимия способствует формированию новых важных представлений, касающихся физиологии человека, проблем питания и медицины, более глубокому пониманию биологии растений, основ сельского хозяйства, эволюции, экологии, а также великого круговорота вещества и энергии между солнцем, землей, растениями и животными.
