Lenindzher Основы биохимии т.1 (1128695), страница 5
Текст из файла (страница 5)
жду двумя большими разветвленными системами ферментативных реакций в клетке. Одна из этих систем сохраняет химическую энергию, поступаюшун> из окружающей среды, в основном путем фосфорилирования бедного энергией АОР и превращения его в богатый энергией АТР. Другая же система реакций использует энергию АТР для бносинтеза клеточных компонентов из более простых предшественников, выполнения механической работы сократительных и двигательных аппаратов, а также для совершения осмотической работы -переноса веществ через мембраны. Так же как и биомолекулы, играющие роль строительных блоков, эти взаимосвязанные системы ферментативных реакций практически идентичны у большинства видов живых организмов.
Растущие клетки могут одновременно синтезировать тысячи разных молекул белков и нуклеиновых кислот в таких относительных количествах, которые точно соответствуют требованиям живой функционирующей протоплазмы клеток данного внда. Следовательно, катализируемые ферментами метаболические реакции точно отрегулированы и производят лишь столько простых молекул разных видов, сколько их необходимо для сборки строго заданного числа молекул нуклеиновых кислот, белков, липндов или полисахаридов каждого типа.
Более того. живые клетки способны регулировать синтез своих собственных катализаторов — ферментов. Например, клетка может «выключить» синтез фермента. необхолимого для производства какого-либо продукта из Рнс.. 1.8. АТР эч.о переносчик химической энергии, сяяэыааюглня источники энергии с ину- триклеточными пролсосами, требуюглимя эа- траты энергии. его предшественников, если она получает этот продукт в готовом виде из внешней среды. Такая способность к самонастройке н саморегуляции позволяет живым клеткам поддерживать внутри себя определенное стационарное состояние даже в условиях значительных изменений внешней среды.
Отсюда следует еще один принцип молекулярной логики живого состояния: Живые клетки лрвдолавляют собой саморегулируемые химические системы, настроенные на рабату в режиме максимальной экономии. ЧАСТЬ !. БИОМОЛЕКУЛЫ 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 воспроюведения.
Во-первых, живые организмы настолько сложны, что трудно себе представить, каким образом передаваемоеиз поколения в поколение количество генетической информации может уместиться в крошечном клеточном ядре, в котором эта информация хранится. Мы зна!яи теперь, что вся генетическая информация, содержашаяся в бактериальной клетке, заключена в одной большой молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты ! ДНК). А гораздо большее количество пнетической информации, содержащееся в одной половой клетке человека, закодировано в наборе молекул ДНК общей массой всего лишь 6 !О '* г. Это позволяет нам сформулировать еше один важный принцип молекулярной логики живого состояния: Генетическая информация закодирована нри лолшеци структурных единиц 1.8.
Живые организмы способны к точному самовоспроизведению сублеолекулярных размеров; зти единицы представляют собой четыре типа нуклеотидов, из которых настроены все молекулы ДНК. 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 органюмы, подвержены непрерывным эволюционным юменениям. Генетическая информация не записана на меди и не выбита на камне, а хранится в форме ДНК вЂ” настолько хрупкой органической молекулы, что она разрывается на множество фрагментов при Рис.
! -9. Еаиинчнак монекука ДНК, внсвобо- Лившакск из разрушенной клетки бактерии Нетермлиз зириектае. Молекула ДНК в сотни раз наивнее самой кистки. ГЛ. 1 БИОХИМИЯ МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЛОГИКА ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ 21 е'$1 ф-' й . '-Дф ~~-4ь иа Гуаннн Ф цнтозин А Аленин Тимин фин 1 О:. н Ф Траноляния Ф инвнйф — '-'-+ ияанифф — "'У, Трехмерная структура белков ° б, --'-~яи Линейный йнх М Рис. 1 1О Комплементарности между кодирую- шими элементами двух испей ДНК. простом перемешивании содержащего ДНК раствора или втягивании его в пипетку.
Цепи ДНК часто рвутся даже и в неповрежденной клетке, но там они быстро и автоматически вссстанавливаются. Замечательная способность живых клеток сохранять свой генетический материал есть следствие сп1рук1пурной комплеменгпорностпи Одна цепь ДН К служит матрицей, на которой ферментативиым путем строится или восстанавливается другая структурно комплементарная ей цепь. Олнако, 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 повы- Рис. 1-11. Информапия, таписанная в видели- исйной последовательности нуклеотялов в ДН К.
транслируется тт. е, переводится) в трех- мерную структуру Белков. 22 ЧАСТЬ Ь БИОМОЛЕКУЛЗВ шают свою способность к выживанию, причем под влиянием изменений в окружающей среде возникают новые виды, претерпевающие дальнейшую эволюцию. Рассмотрим третью замечательную особенность переноса генетической информации в живых организмах.
Генетическая информация закодирована в форме линейной, одномерной, последовательности нуклеотцдов — строительных блоков ДНК. Но живые клетки имеют трехмерную структуру и состоят из трехмерных компонентов. «Одномернав> 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 амннокислотной последовательностью, которая в свою очередь определяется нуклеотндной последовательностью соответствующего участка ДНК. Теперь мы можем суммировать основные принципы молекулярной логики клеток: Живая клетка-это способная к само- сборке„саморегуляции и самовоспроизведению иэотермичегкая система органических молекул, извлекающая свобод>- ную энергию н сырьевые ресурсы иэ окружающей среди. В клевые осуществляв>пся множество последовательно протекающих органаческих рвакцай, ускоряемых органическнмн ка>пализаторами (ферментами), которые производит сама клетка.
Клетка сама себя поддерживает в снюционарном динамическом состоянии, далеком от равновесия с окружающей средой. Она функционирует по принципу максимальной экономии компонентов и процессов. Способность клетки к почва точному самовоспроизведению на протяженна многих поколений обеспечивается самовосстанавливающвйся 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 лозинку живых клеток, мы ни разу не столкнулись с нарушением известных физических законов илн с необхолимсстью 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 н регуляторные процессы„протекающие в клетках, гораздо более совершенны н намного превосходя~ 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 асей внинмости, 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 лн ее приложить к организму человека с его необычайной и уникальной способностью мыслить, говорить и творить? Мы еше не можем даже и пытаться ответить на зтн вопросы, хотя теперь знаем, что развитие и поведение высших организмов определяются молекулярными факторами и видоизменяются под нх влняннем„.следовательно, развитие и поведение высших организмов должны иметь биохимическую основу.
Однако пока у нас нет ответов на этн более сложные вопросы, так как сегол- ГЛ. Ь БИОХИМИЯ МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЛОГИКА ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ 23 пашней 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 организуницнх 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 свазанных друг с другом, саморегулируемых ферментативных реакций, составляющих систему, через ко- торую осуществляется обмен веществом и энергией между организмом и окружающей средой, т.е.
метаболизм. Наконец, мы рассмотрим молекулярные основы самовоспроизведения клеток и преобразования «одномернойюв 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.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
