Том 1 (1129743), страница 28
Текст из файла (страница 28)
110–111). Хотя сами по себе эти взаимодействия очень слабы, вкупе ониспособны свернуть биологические макромолекулы в уникальные формы. Крометого, объединенными усилиями они могут также обусловливать сильное притяжениемежду двумя различными молекулами — когда эти молекулы очень тесно прилегают одна к другой, словно рука в перчатке. Данная форма межмолекулярногоРис. 2.31.
Большинство белков и многие молекулы РНК принимают только одну устойчивую конформацию. Если нековалентные связи, поддерживающие эту устойчивую конформацию, разрываются, томолекула превращается в гибкую цепь, которая обычно не несет никакой биологической ценности.Глава 2. Химия клетки и биосинтез 133взаимодействия предполагает большую специфичность, ввиду того что многоточечные контакты, необходимые для сильного связывания, позволяют макромолекулевыбрать — через процедуру связывания — только одну из многих тысяч молекулдругих типов, присутствующих в клетке. Более того, поскольку сила связываниязависит от числа образующихся нековалентных связей, постольку возможны взаимодействия почти любой степени сродства, что допускает быструю диссоциациюв случае необходимости.Связывание такого типа лежит в основе всего биологического катализа— осуществления ферментативных функций белками.
Нековалентные взаимодействиятакже позволяют употреблять макромолекулы в качестве стандартных блоковпри формировании более крупных структур. В клетках макромолекулы частосвязываются друг с другом в громадные комплексы и образуют посредством этогоискуснейшие машины, состоящие из множества перемещающихся друг относительного друга частей и выполняющие такие сложные задачи, как репликация ДНКи синтез белка (рис. 2.32).Рис. 2.32. Малые молекулы, белки и рибосома, представленные в приближенном масштабе. Рибосомыпредставляют собой центральный узел аппарата, который клетка использует для «изготовления» белков:каждая рибосома состоит из комплекса приблизительно 90 макромолекул (молекулы белка и РНК).ЗаключениеЖивые организмы представляют собой самодостаточные и самовоспроизводящиеся химические системы.
Они построены из своеобразного и ограниченногонабора маленьких молекул на основе углерода, которые практически одинаковыдля всех населяющих Землю видов. Каждая из таких молекул состоит из небольшого набора атомов, связанных друг с другом посредством ковалентных связейв высокоточные конфигурации. Главные же их категории представлены сахарами, жирными кислотами, аминокислотами и нуклеотидами. Сахара служатпервейшим источником химической энергии для клеток и могут быть включеныв полисахариды с целью запасания энергии.
Жирные кислоты также важны какхранилища энергии, но их основное предназначение — образование клеточныхмембран. Полимеры, состоящие из аминокислот, – впечатляюще разнообразныеи многофункциональные макромолекулы, известные как белки. Нуклеотидыиграют главную роль в переносе энергии. Они являются также субъединицамидля построения информационных макромолекул — РНК и ДНК.Бóльшая часть сухой массы клетки состоит из макромолекул, которые синтезируются в виде линейных полимеров аминокислот (белки) или нуклеотидов (ДНКи РНК), ковалентно связанных друг с другом в строгом порядке.
Большинство134Часть 1. Введение в мир клеткибелковых молекул и многие молекулы РНК свернуты в уникальные конформации,которые определяются последовательностью входящих в них субъединиц. В результате процесса сворачивания (фолдинга) возникают уникальные поверхности,а зависит этот процесс от множества слабых сил притяжения, обусловленныхнековалентными взаимодействиями между атомами. Это силы четырех типов:силы электростатического притяжения, водородные связи, ван-дер-ваальсовы силыи взаимодействие между неполярными гидрофобными группами. Тот же набор слабых сил управляет специфичным связыванием других молекул с макромолекулами,давая начало мириадам различных сочетаний между биологическими молекулами,что и составляет материальную основу структуры и химии клетки.2.2. Катализ и использование энергии клеткамиБлагодаря одной особенности, присущей исключительно живым существам,они, на первый взгляд, почти сверхъестественно отличаются от неживой материи:они создают и поддерживают порядок во Вселенной, которая всегда стремитсяк всеобщему беспорядку (рис.
2.33). Чтобы создавать такой порядок, клеткив живом организме должны проводить нескончаемый поток химических реакций.В ходе некоторых из этих реакций малые органические молекулы: аминокислоты, сахара, нуклеотиды и липиды — расщепляются или видоизменяются, чтобыснабдить клетку множеством других необходимых ей маленьких молекул. В ходедругих реакций эти маленькие молекулы используются для построения необычайноразнообразного множества белков, нуклеиновых кислот и других макромолекул,которые и наделяют живые системы всеми их необыкновенными, отличными от неживой материи свойствами.
Каждую клетку можно рассматривать как крошечнуюхимическую фабрику, ежесекундно выполняющую миллионы реакций.2.2.1. Метаболизм клетки организуют ферментыПроисходящие в клетке химические реакции в обычных условиях происходили бы при гораздо более высоких температурах, чем температура внутри клеток.Рис. 2.33. Порядок в биологических структурах. Строго очерченные, расписные, богато украшенныеи необычайно красивые пространственные структуры можно встретить на всех уровнях организацииживых организмов.
В порядке увеличения размера: а) белковые молекулы в оболочке вируса; б) регулярное расположение микротрубочек, видимое на поперечном срезе хвостика сперматозоида;в) очертания поверхности пыльцевого зерна (отдельная клетка); г) крупный план крыла бабочки, открывающий нашему взору узор, созданный чешуйками, где каждая чешуйка является произведениемодной-единственной клетки; д) спиральное расположение семян, построенных из миллионов клеток,в головке подсолнуха.
(а — любезность R. A. Grant и J. M. Hogle; б — любезность L. Tilney; в — любезностьC. MacFarlane и C. Jeffree; г и д — любезность K. B. Sandved.)Глава 2. Химия клетки и биосинтез 135Вот почему для любой реакции, проходящей в клетке, необходим специфический«стимулятор» активности реагирующих компонентов. Это важнейшее требование,определяющее способность клетки управлять всеми реакциями. Такое управлениеосуществляется с помощью специализированных белков, называемых ферментами, каждый из которых ускоряет, или катализирует, реакции только одного измногих возможных видов реакций, которым та или иная отдельно взятая молекуламогла бы подвергнуться.
Катализируемые ферментами реакции обычно связаныв последовательности, так что продукт одной реакции становится исходным материалом, или субстратом, для следующей (рис. 2.34). Такие длинные линейныепути реакций, в свою очередь, соединяются друг с другом, образуя целый каскадвзаимосвязанных реакций, которые дают клетке возможность жить, расти и воспроизводиться (рис. 2.35).Рис. 2.34. Набор катализируемых ферментами реакций формирует метаболический путь. Каждыйфермент катализирует определенную химическую реакцию, сам фермент всегда остается неизменным.В данном примере набор последовательно действующих ферментов преобразует молекулу А в молекулу F, формируя метаболический путь.В клетках протекают два встречных друг другу потока химических реакций:1) катаболические реакции расщепляют пищевые продукты на более мелкие молекулы, производя таким образом как энергию в полезной для клетки форме, таки некоторые из маленьких молекул, необходимые клетке в качестве стандартныхструктурных звеньев, и 2) анаболические, или биосинтетические, цепочки реакций, которые используют усвоенную в процессе катаболизма энергию для подпиткисинтеза многих других молекул, образующих клетку.
Вместе взятые реакции обеихкатегорий обеспечивают метаболизм клетки (рис. 2.36).Многие моменты, связанные с метаболизмом клетки, составляют традиционныйпредмет биохимии, и нет необходимости рассматривать их здесь и сейчас. Но общие принципы, посредством которых клетки извлекают энергию из окружающейсреды и используют ее для самоорганизации, занимают видное место в клеточнойбиологии. Мы начнем с обсуждения того, почему для поддержания жизнедеятельности живых организмов необходим постоянный приток энергии.2.2.2. Биологический порядок возможен благодаря тому,что клетки выделяют тепловую энергиюВсеобщее стремление вещей к беспорядку выражает фундаментальный законфизики — второе начало термодинамики, — который гласит, что во Вселеннойили в какой-либо замкнутой системе (совокупность веществ, которая полностью136Часть 1. Введение в мир клеткиРис.
2.35. Некоторые метаболические пути и их взаимосвязи в типичной клетке. Около 500 постоянныхметаболических реакций показаны схематично, гдевсе молекулы в метаболическом пути представленыточками, как в желтом прямоугольнике на рис. 2.34.Путь, который выделен на этой схеме жирными точкамии соединительными линиями, — основной путь метаболизма углеводов, который будет вскоре рассмотрен.изолирована от остальной части Вселенной)степень разупорядоченности всегда возрастает. Из этого закона вытекают столь глубокиеследствия для всех живых существ, что мыпозволим себе переформулировать его.Например, мы можем представить второй закон в понятиях вероятности и провозгласить, что системы самопроизвольноизменяются в сторону таких конфигураций,которые имеют наибольшую вероятность.Если мы рассмотрим, например, ящиксо 100 монетами, все из которых лежат орлами вверх, то в ходе серии событий случайных встряхиваний этого ящика первоначальное распределение монет будет неизбежно смещаться в сторону комбинации,состоящей из 50-ти орлов и 50-ти решек.
Причина проста: существует бесчисленноемножество возможных комбинаций монет, при которых будет достигнут результат50/50, и только одно возможное расположение, при котором все монеты будуториентированы орлами вверх. Поскольку смесь 50/50 представляется, таким образом, наиболее вероятной, мы говорим, что она более «разупорядоченная». По тойже самой причине мы изо дня в день наблюдаем знакомую картину — жизненноепространство (жилое помещение, рабочееместо) становится все более и более беспорядочным, если не сделать волевогоусилия и не навести порядок: движениек беспорядку есть самопроизвольныйпроцесс, для обращения вспять которого требуется периодически затрачиватьнемалые усилия (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
