Белки как основа жизни

Белки считаются основой жизни, потому что большинство из них являются биологическими катализаторами – ферментами (энзимами), способными ускорять химические превращения в миллионы раз. Поэтому в живых организмах могут протекать такие реакции, которые в неживой природе невозможны. В живой клетке практически нет химических реакций, которые протекали бы без участия белков – ферментов. Именно в белковой молекуле скрыты основные загадки сложного строения, поведения и разнообразия живых существ.

Белок представляет собой линейный полимер, мономерами которого являются аминокислоты, имеющие общую формулу:

NH₂

R

COOH ,

где R – углеводородный радикал, строение которого и определяет различия между аминокислотами. Всего известно 20 природных аминокислот, входящих в состав белков. Соединение аминокислот происходит за счёт взаимодействия аминогруппы -NH₂ одной кислоты с карбоксильной группой -COOH другой, в результате чего образуется прочная ковалентная связь, которая называется пептидной. Цепочки из аминокислот называются полипептидами. В составе одной белковой молекулы может находиться от нескольких десятков до нескольких сотен аминокислот. Количество аминокислот и порядок их соединения строго определены для каждой белковой молекулы. Строго заданная последовательность аминокислот называется первичной структурой белковой молекулы.

Благодаря определённой пространственной ориентации ковалентных химических связей, а также за счёт действия водородных связей цепочка аминокислот закручивается с образованием вторичной структуры белка, которая получила название α-спираль. Между различными участками α-спирали также возникают слабые водородные связи. Эти связи укладывают α-спираль в сложную пространственную структуру, которая называется третичной структурой белка. Иногда в образовании третичной структуры участвует и некоторое количество ковалентных связей. Эта структура строго однозначно определяется порядком соединения аминокислот. Каждой последовательности аминокислот соответствует своя третичная структура со строго определёнными свойствами и функциями белковой молекулы.

Основным свойством всех белковых молекул, определяющим специфику живого, является их способность легко менять свою третичную структуру под действием очень слабых и самых разнообразных внешних воздействий. Такими воздействиями могут быть свет, давление, температура, звук, наличие рядом других молекул, ионов, атомов и т.д. В результате этих воздействий одни водородные связи рвутся, а другие образуются. Молекула меняет свою форму, а следовательно, и функцию. Такие изменения являются обратимыми и называются обратимой денатурацией или конформацией белковых молекул. Именно конформация белков является основой способности живых организмов приспосабливаться к быстро меняющимся условиям окружающей среды, когда изменение условий приводит к изменению работы белковых молекул. Химические реакции и физические процессы, которые не нужны в новых условиях, прекращаются, а нужные реакции и процессы запускаются в действие.

Если воздействие на белки окажется слишком сильным, может произойти необратимая денатурация, когда рвутся или образуются прочные ковалентные связи. Такая денатурация приводит к гибели организма.

Каждый вид организмов представляет собой определённый набор белков, обусловливающих все жизненно важные свойства вида. Чем разнообразней набор белков, тем более сложным и совершенным является организм. В человеческом организме используется более 30 тыс. различных белков. Нормальное содержание белков в клетке составляет 10-20 % сырой массы и 50-80 % сухого вещества.

Помимо основной ферментативной функции белки выполняют и многие другие функции, которые отличают живое вещество от неживого. К таким функциям относится рецепторная функция, состоящая в узнавании специальными белками – рецепторами различных физических и химических факторов среды с последующим изменением внутриклеточных процессов.Двигательная функция осуществляется специальными сократительными белками, к которым, в частности, относятся актин и миозин мышечных волокон. Часть белков выполняют транспортные функции, перемещая нужные вещества в клетку, а отходы – из клетки. Защитную функцию выполняют белки гамма-глобулины, которые связываются с чужеродными молекулами (антигенами), нейтрализуют их и способствуют последующему разложению или выведению из организма. Строительные белки обеспечивают формирование различных клеточных структур с заданными свойствами. Белки могут выполнять и энергетическую функцию. Однако расходование белков в качестве пищи начинается только в предельно критической ситуации, когда заканчиваются основные источники питания: углеводы и жиры.

Возможность беспредельного совершенствования организмов заложена в бесконечном разнообразии структур белковых молекул. Применение математических методов для оценки этого разнообразия показало, что число возможных вариантов строения белков, обусловленное изменением порядка аминокислот, может превышать величину 10¹⁰⁰ (см. об этом подробней в гл.6). Как уже было отмечено (п.1.5), это число в миллиарды раз больше числа атомов во Вселенной.

Представленный анализ строения белковых молекул позволяет без использования понятия жизненной силы объяснить причину необычайно большого разнообразия живых организмов и их сложное поведение, с помощью которого они адаптируются к разнообразным условиям окружающей среды.