Основные закономерности строения и метаболизма макромолекул в живых системах

По своему химическому составу организмы сильно отличаются от окружающей среды, в которой они живут. Большинство химических компонентов живых организмов представляют собой органические соединения, в которых углерод находится в относительно восстановленной или гидрированной форме. Многие биомолекулы содержат азот. В неживой материи углерод и азот распространены гораздо меньше. Они встречаются в атмосфере и в земной коре только в виде простых неорганических соединений.

Органические соединения, входящие в состав живого, разнообразны, а большинство из них крайне сложны. Каждый вид организмов имеет свой собственный набор молекул белков и нуклеиновых кислот. Поскольку известно свыше 1200000 видов живых организмов различной степени сложности можно рассчитать, что все виды вместе взятые содержат приблизительно от 10¹⁰ до 10¹² различных белков и около 10¹⁰ нуклеиновых кислот. Но как это ни парадоксально, все огромное разнообразие органических молекул в живых организмах, в конечном счете, сводится к поразительно простой картине. Макромолекулы в клетке состоят из большого числа простых и сравнительно небольших молекул, которые служат строительными блоками, связываясь друг с другом в длинные цепи. Например, молекулы белков построены из 100 или более аминокислотных остатков. В белках обнаружено всего 20 различных аминокислот, однако благодаря тому, что они соединены друг с другом в разной последовательности, они образуют огромное множество всевозможных белков. Нуклеиновые кислоты, подобно белкам, имеют длинные полимерные цепи и состоят всего из 8 строительных блоков - мононуклеотидов. При этом 20 аминокислот и 8 мононуклеотидов - одни и те же у всех организмов.

Немногочисленные простые молекулы, играющие роль строительных блоков макромолекул, выполняют в клетках еще несколько функций. Аминокислоты служат не только строительными блоками белковых молекул, но также предшественниками гормонов, алкалоидов, порфиринов, пигментов и многих других биомолекул, а мононуклеотиды используются не только как строительные блоки нуклеиновых кислот, но также аккумулируют энергию. Поэтому представляется вполне вероятным, что биомолекулы, играющие роль строительных блоков, отбирались в процессе эволюции по своей способности выполнять не одну, а несколько функций. Живые организмы не содержат не функционирующих соединений, хотя существуют биомолекулы, функции которых пока неясны.

При всей сложности молекулярной организации клетки для нее характерна изначальная простота: тысячи ее различных макромолекул построены из немногочисленных типов простых молекул - строительных блоков. Поскольку биомолекулы, являющиеся строительными блоками, идентичны у всех видов организмов, можно сделать вывод, что все живые организмы имеют общего предка. Под функциональным многообразием молекул, являющихся строительными блоками, кроется принцип молекулярной экономии.