4.1.3 Процессы обмена веществ. Гомеостаз

Живая клетка представляет собой динамическую систему, в которой одни химические соединения превращаются в другие. В живой клетке происходит непрерывное движение веществ – из внешней среды в клетку и из клетки во внешнюю среду. Совокупность изменений и превращений вещества и энергии в клетке, обеспечивающих их рост, развитие, жизнедеятельность, самосохранение и самовоспроизведение, называется обменом веществ (метаболизмом).

Обмен веществ выполняет две функции: обеспечение клетки строительным материалом (пластический обмен) и обеспечение клетки энергией (энергетический обмен). Пластический и энергетический обмены неразрывно связаны между собой. С одной стороны, все реакции пластического обмена нуждаются в энергии. С другой стороны, для осуществления реакций энергетического обмена необходим постоянный синтез ферментов.

Для каждого вида организмов генетически закреплен свой тип обмена веществ, зависящий от условий существования. Интенсивность и направленность обмена веществ в клетке обеспечивается путем регуляции проницаемости биологических мембран, регуляции синтеза и активности ферментов.

Большое значение в живой природе имеет поддержание динамического постоянства внутренней среды биологических систем. Первоначально эти процессы толковали исключительно с точки зрения физиологии организмов. Совокупность приспособительных реакций организма, направленных на сохранение динамического постоянства его внутренней среды, называется гомеостазом. В организме человека с помощью гомеостаза поддерживается рН крови, уровень гормонов в крови, давление крови, интенсивность сердечной деятельности, температура и т.д.

В настоящее время понятие гомеостаза трактуют шире. Например, поддержание постоянства числа особей в биоценозе называется экологическим гомеостазом, поддержание баланса генов в популяции называется генетическим гомеостазом и т.д. В основе гомеостаза лежит принцип отрицательной обратной связи: увеличение какого-либо параметра приводит к включению механизмов, уменьшающих его значение, и наоборот.

4.1.4 Биологически активные молекулы

Из более сотни элементов Периодической системы элементов Д.И. Менделеева для жизни необходимы не более 20. Наиболее важными из них являются углерод, водород, кислород и азот, эти четыре химических элемента составляют около 99% массы живого. Важными для жизни элементами являются также фосфор, сера, ионы натрия, магния, хлора, кальция и калия. В качестве микроэлементов в живых организмах присутствуют также железо, кобальт, медь, цинк, бор, алюминий, кремний, ванадий, молибден, иод и марганец.

Особое значение имеет углерод. Все биологически функциональные вещества (кроме воды и нескольких солей) содержат углерод. Число соединений углерода огромно, эти соединения называются органическими. Разнообразие органических соединений обеспечивается валентностью углерода, его способностью образовывать кратные связи, стабильные цепи и кольца.

Свойства, характерные исключительно для живой материи, начинаются с молекулярного уровня. На этом уровне биологическая система проявляется в виде функционирования биологически активных молекул. К «живым» (или биологически активным) молекулам относятся, прежде всего, белки, углеводы, липиды и нуклеиновые кислоты.

Белки представляют собой высокомолекулярные органические соединения, построенные из остатков 20 аминокислот. По структуре белки относятся к полимерам, их молекулы имеют форму длинных цепей, состоящих из повторяющихся мономеров. Белковая молекула может иметь до 1000 аминокислотных остатков. Общая форма аминокислот, образующих белок, имеет следующий вид: к центральному атому углерода присоединены щелочная аминогруппа H₂N, карбоксильная COOH и радикал R. Радикал представляет собой некоторую группу атомов, различных для разных аминокислот. Образование белков из аминокислот происходит при соединении аминогруппы одной аминокислоты с карбоксильной группой другой. Такая химическая связь (–CO–NH–) называется пептидной связью.

Последовательность расположения аминокислот в белке определяет его пространственную или первичную структуру. В результате свертывания полипептидной цепи в спираль возникает вторичная структура. Аминокислотные группы при этом остаются снаружи спирали, витки спирали расположены тесно. Между NH–группами, находящимися на одном витке, и CO–группами, находящимися на соседнем витке, возникают водородные связи. Как уже отмечалось, водородные связи значительно слабее ковалентных, но повторенные многократно, они дают прочное сцепление.

Дальнейшая укладка полипептидной спирали дает третичную структуру. Для каждого белка свертка спирали происходит причудливым, но вполне определенным и постоянным образом. Третичную структуру белка поддерживают гидрофобные связи, возникающие между гидрофобными радикалами аминокислот. Водная среда как бы принуждает белковую молекулу принять определенную упорядоченную структуру, в результате чего она становится биологически активной.

Под влиянием различных внешних факторов (высокой температуры, химических веществ, механического воздействия, облучения и т.д.) слабые связи, поддерживающие вторичную и третичную структуры белка, рвутся. Такое нарушение природной структуры белка называется денатурацией.

Состав белков специфичен для каждого организма, он определяется наследственными свойствами. В каждой клетке имеются сотни различных белков, которые выполняют важные и многообразные функции. Белки являются катализаторами биохимических реакций (ферменты, энзимы), строительным материалом структурных элементов клетки, регуляторами процессов организма (гормоны), источниками энергии. Белки распадаются в клетке до аминокислот и используются организмом для построения собственных белков или расщепляются для получения энергии. При полном расщеплении 1г белка освобождается 17,6 кДж энергии.

Углеводы представляют собой сложные органические соединения, содержащие только углерод, водород и кислород. Различает простые и сложные углеводы.

Простые углеводы называют моносахаридами. Самыми распространенными моносахаридами являются глюкоза, фруктоза, рибоза и дезоксирибоза.

Сложные углеводы (полисахариды) представляют собой полимеры, в которых моносахариды играют роль мономеров. К полисахаридам относятся сахара, крахмал, гликоген и целлюлоза.

Основная биологическая функция углеводов – источник энергии, необходимой для осуществления клеткой различных форм активности. Сложные по структуре, богатые энергией углеводы подвергаются в клетке глубокому расщеплению. В результате образуются простые, бедные энергией соединения (оксид углерода и вода). В ходе этих процессов при расщеплении 1 г углеводов освобождается 17,6 кДж энергии.

Кроме энергетической, углеводы выполняют в клетке и строительную функцию. Так, стенки растительных клеток состоят из целлюлозы.

Липиды представляют собой органические вещества, нерастворимые в воде, но растворимые в бензине, ацетоне, эфире. Липиды содержатся во всех клетках животных и растений, входят в состав многих клеточных структур.

Липиды подразделяются на истинные жиры и жироподобные вещества. Молекула истинного жира состоит из молекулы глицерина и трех молекул жирной кислоты. К жироподобным веществам относятся вещества, которые кроме жирных кислот могут содержать фосфор, холин и сахара. Примерами липидов служат лецитин, холестерин, некоторые витамины (А, D).

Биологическое значение липидов велико и многообразно. В организме жиры используются как источники энергии, как структурные компоненты клеток (особенно клеточных мембран), для теплоизоляции у животных. В ходе расщепления жира освобождается в 2 раза больше энергии, чем при расщеплении углеводов. Необходимо отметить значение жира как источника воды. Из 1 кг жира при окислении образуется почти 1,1 кг воды.

Нуклеиновые кислоты – это сложные соединения, содержащие углерод, водород, кислород, азот, фосфор и некоторые другие элементы. К ним относятся различные виды дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК) и рибонуклеиновых кислот (РНК).

Молекула ДНК представляет собой две спирально закрученные одна вокруг другой нити. Молекулярная масса ДНК достигает десятков и даже сотен миллионов, вдоль молекулы ДНК могут быть уложены одна за другой тысячи белковых молекул.

Каждая нить ДНК представляет собой неразветвленный полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид содержит углевод (моносахарид дезоксирибозу), остаток фосфорной кислоты и одно азотистое основание. Нуклеотиды ДНК различаются по азотистым основаниям: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т). ДНК всего органического мира образованы соединением этих четырех видов нуклеотидов. Соединение нуклеотидов в нити ДНК происходит через углевод одного нуклеотида и фосфорную кислоту соседнего. Они соединяются прочной ковалентной связью.

При образовании двойной спирали ДНК в расположении стыкующихся нуклеотидов имеется важная закономерность (принцип комплементарности): против А одной цепи всегда оказывается Т другой цепи, а против Г одной цепи – всегда Ц другой. Только в таком сочетании обеспечивается одинаковое по всей длине спирали расстояние между цепями и образование между противолежащими основаниями максимального числа водородных связей. Большое число водородных связей обеспечивает прочное соединение нитей ДНК, что придает молекуле устойчивость. В тоже время молекула ДНК сохраняет подвижность и под влиянием фермента дезоксирибонуклеазы она легко раскручивается.

ДНК содержится в основном в хромосомах клеточного ядра, а также в митохондриях и пластидах. Она служит главным носителем генетической информации.

РНК представляет собой полинуклеотид, во многом сходный с ДНК. Структура РНК также создается чередованием четырех типов нуклеотидов. Однако состав нуклеотидов РНК несколько отличается: углевод РНК представляет собой моносахарид рибозу, вместо азотистого основания тимина в состав РНК входит близкое по строению основание урацил (У). В отличие от ДНК молекула РНК одноцепочечная.

РНК содержится в основном в клеточном ядре и рибосомах. Различают транспортные РНК (связывающие аминокислоты и транспортирующие их к месту синтеза белка), информационные РНК (переносящие информацию о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка) и рибосомные РНК.

В 1965 г. был расшифрован генетический код, который оказался триплетным. Для кодирования одной аминокислоты (а белок состоит из 20) используется сочетание трех нуклеотидов. Такая элементарная единица получила название кодона.