Биохимические основы жизни

Все живые организмы имеют в своем составе простые неорганические молекулы: азот, воду, двуокись углерода. Из них в ходе химической эволюции появились простые органические соединения, ставшие в свою очередь строительным материалом для более крупных молекул. Так появились макромолекулы – гигантские молекулы (полимеры), построенные из множества мономеров. Существуют три типа молекул: полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты. Мономерами для них служат соответственно моносахариды, аминокислоты и нуклеотиды. Белки и нуклеиновые кислоты являются «информационными» молекулами, так как в их строении важную роль играет последовательность мономеров, которая может быть весьма разнообразной. Полисахариды играют роль резерва энергии и строительного материала для синтеза более крупных молекул. К ним относятся крахмал, гликоген, целлюлоза.

Белки – это макромолекулы, представляющие собой очень длинные цепи из аминокислот – органических (карбоновьгх) кислот, содержащих, как правило, одну или две аминогруппы (-NH2). В растворах аминокислоты способны проявлять свойства как кислот, так и оснований. Это делает их своеобразным буфером на пути опасных физико-химических изменений. Они образуют широкий ряд химических связей с различными реакционноспособными группами, что существенно для структуры и функций белков. В клетках и тканях встречается свыше 170 аминокислот, но в состав белков входит только 20. Именно последовательность аминокислот, соединенных друг с другом пептидными связями*, определяет первичную структуру белков. На долю белков приходится свыше 50% общей сухой массы клеток.

* Пептидная связь – это химическая связь –CO-NH-.

Большинство белков выполняют функцию катализаторов (ферментов). В их пространственной структуре есть активные центры в виде углублений определенной формы. В такие центры попадают молекулы, превращение которых катализируется данным белком. Также белки играют роль переносчиков, например гемоглобин переносит кислород от легких к тканям. Мышечные сокращения и внутриклеточные движения – результат взаимодействия молекул белков, функция которых заключается в координации движения. Есть белки – антитела, функцией которых является защита организма от вирусов, бактерий и т.д. Активность нервной системы зависит от белков, с помощью которых собирается и хранится информация, поступающая из окружающей среды. Белки, называемые гормонами, управляют ростом клеток и их активностью.

Довольно хорошо изучены сегодня молекулярные основы обмена веществ в клетке. Существуют три основных типа обмена веществ (метаболизма):

– катаболизм, или диссимиляция – процесс расщепления сложных органических соединений, сопровождающийся выделением химической энергии при разрыве химических связей;

– амфоболизм – процесс образования в ходе катаболизма мелких молекул, которые затем принимают участие в строительстве более сложных молекул;

– анаболизм, или ассимиляция – разветвленная система процессов биосинтеза сложных молекул с расходованием энергии аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ),

Процессы жизнедеятельности живых организмов определяются взаимодействием двух видов макромолекул – белков и ДНК. Генетическая информация организма хранится в молекулах ДНК. Она служит для зарождения следующего поколения и производства белков, контролирующих почти все биологические процессы. Поэтому нуклеиновым кислотам принадлежит такое же важное место в организме, как и белкам. Кроме того, как белки, так и нуклеиновые кислоты обладают одним очень важным свойством – молекулярной дисимметрией (асимметрией), или молекулярной хиралъностью. Это свойство жизни было открыто Л. Пастером в ходе исследования строения кристаллов веществ биологического происхождения – солей виноградной кислоты. В своих опытах Пастер обнаружил, что не только кристаллы солей, но и их водные растворы способны отклонять поляризованный луч света, т.е. они являются оптически активными. Позже они получили название оптических изомеров. У растворов веществ небиологического происхождения свойство оптической изомерии отсутствует, строение их молекул симметрично.

Сегодня идеи Пастера подтвердились, и считается доказанным, что молекулярная хиральность (от греческого cheir – рука) присуща только живой материи и является ее неотъемлемым свойством. Вещество неживого происхождения симметрично в том смысле, что молекул, поляризующих свет влево и вправо, в нем всегда поровну. А в веществе биологического происхождения всегда присутствует отклонение от этого баланса. Белки построены из аминокислот, поляризующих свет только влево (L-конфигурация), нуклеиновые кислоты – из Сахаров, поляризующих свет только вправо (D-конфигурация). Таким образом, хиральность заключается в асимметрии молекул, их несовместимости со своим зеркальным отражением, как у правой и левой руки, что и дало современное название этому свойству. Интересно отметить, что если бы человек вдруг превратился в свое зеркальное отражение, то с его организмом все было бы нормально до тех пор, пока он не стал бы есть пишу растительного или животного происхождения, которую он просто не смог бы переварить.

Также Пастера волновал вопрос, как возникло это явление, как оно связано с истоками самой жизни на нашей планете. Он считал, что появление жизни, живых дисимметричных молекул происходило из неживых симметричных молекул. В качестве возможных причин превращения неживой молекулярной симметрии в живую молекулярную дисимметрию Пастер называл мощные электрические разряды, геомагнитные колебания, вращение Земли вокруг Солнца, появление Луны. Но попытки экспериментально проверить эту гипотезу, моделирование таких условий в лаборатории ни к чему не привели.