Основы биохимии - Филиппович Ю. Б. 1999

Химический состав организмов

Общий химический состав. По современным данным, биомасса единовре­менно живущих на Земле организмов (а их насчитывается около 2 млн. видов) составляет 1,8 х 10¹² — 2,4 х 10¹² т в пересчете на сухое вещество, причем ежегодно ими продуцируется около 10¹¹ т сухого вещества. В ор­ганизмах, составляющих биомассу Земли, обнаружено свыше 60 химических элементов. Среди них условно выделяют группу элементов, встречающихся в составе любого организма, независимо от видовой принадлежности и уровня организации последнего. К их числу относят С, N, Н, О, S, Р, Na, К, Ca, Mg, Zn, Fe, Mn, Cu, Co, Mo, В, V, I и Cl Первым шести элементам приписывают исключительную роль в биосистемах, так как из них построены важнейшие соединения, составляющие основу живой материи,— белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды и др.; последующие десять называют «металлами жизни» — они крайне важны для поддержания структуры и функциональной активности биополимеров; бор и ванадий весьма существенны для растительных и животных объектов соответственно, а хлор образует наиболее распространенный анион. Остальные элементы, обнаруженные в биомассе, встречаются в живой природе не столь сис­тематически, а биологическое значение их во многих случаях еще не выяснено.    

По количественному содержанию в живом веществе элементы делят на три категории: макроэлементы, концентрация которых превышает 0,001% (О, С, Н, Ca, N, Р, S, Mg, Na, Cl, Fe), микроэлементы, доля которых составляет от 0,001 до 0,000001% (Mn, Zn, Cu, В, Mo, Со и многие другие) и ультрамик­роэлементы, содержание которых не превышает 0,000001% (Hg, Au, U, Ra и др.).

Из макроэлементов в наибольшем количестве в биомассе содержатся О, С, Н, N и Са. Из них только О и Са широко представлены в земной коре. Многие элементы, содержащиеся в литосфере в значительном количестве (Si, Al, Fe и др.), в органическом мире встречаются сравнительно в невысоких концент­рациях. Аналогичная картина свойственна, по данным академика А. П. Вино­градова, количественным соотношениям элементов в гидросфере и живых существах, ее населяющих, хотя качественный состав первой и второй почти совпадает. Таким образом, прямой зависимости между распространением химических элементов в неорганической и органической природе нет, однако это не означает, что между первой и второй отсутствует какая-либо связь. Наоборот, установлено, что между организмом и средой существует тонкая взаимозависимость. Так, например, те элементы, которые легко образуют растворимые и газообразные соединения, составляют основную массу биосфе­ры (С, N, Р, S), хотя в земной коре их содержание относительно невелико. Элементы, которые не дают водорастворимых соединений, широко распро­странены в неорганической природе, а в составе организмов встречаются в ничтожных количествах (Si, Fe, Al). Таким образом, доступность элементов для биосферы играет решающую роль в построении живого вещества.

Отмечена определенная зависимость между биологической ролью элемен­тов и их местом в периодической системе Менделеева. Органический мир построен главным образом из легких элементов. В подавляющем большинст­ве случаев при переходе от легких к тяжелым элементам в пределах одной и той же подгруппы возрастает токсичность элементов и параллельно этому падает содержание их в биомассе (Zn, Cd, Hg). Элементы некоторых подгрупп взаимозаменяют друг друга в биологических объектах (Ca, Sr, Ba). Функциональное значение элементов ряда подгрупп своеобразно; например, элементы восьмой подгруппы (Fe, Со, Ni) являются преимущественно компонентами биоактивных соединений. В последнее время активно обсуждается вопрос о биологическом значении Se, F, Si, Sn, As, Cr, Pb, W и других элементов.

Полагают, что Н, О, С, N и Р, составляющие вместе более 99% живого вещества, играют выдающуюся роль в явлениях жизни благодаря наличию у них комплекса особых качеств. Первое из них состоит в способности образовывать кратные связи. Вследствие этого С, например, превосходит Si в отношении числа и разнообразия возможных соединений, обладающих уникальными свойствами. Второе качество заключается в том, что атомы упомянутых элементов, отличаясь малыми размерами, образуют относительно плотные молекулы с минимальными межатомными расстояниями. Такие моле­кулы более устойчивы к действию тех или иных химических агентов. И нако­нец, третье качество присуще в основном Р и S и лишь в небольшой мере N. Оно сводится к возникновению на базе указанных элементов некоторых специфических соединений, при расщеплении которых выделяется повышенное количество энергии, используемой для процессов жизнедеятельности.

Многочисленные макро- и микроэлементы, образующие живую материю, присутствуют в последней в виде разнообразных химических соединений. Примерно 75% биомассы составляет вода, хотя ее содержание в организмах различных видов сильно колеблется (от 40—60% у древесных растений до 99% у медузы). Вода играет огромную роль в создании условий для жизнеде­ятельности. Она образует ту среду, в которой протекают физико-химические процессы, обеспечивающие постоянное возобновление живого вещества, а так­же участвует в реакциях гидролиза.

Вторым по количественному содержанию в биологических объектах, но, несомненно, первым и главным по значению классом соединений являются белки. В среднем можно принять, что в сухом веществе организмов содержится 40—50% белка. Растительному миру свойственно отклонение от этой средней величины в сторону понижения, а животному — повышения. Микроорганизмы обычно богаче белком (некоторые вирусы являются почти чистыми белками). Таким образом, в среднем можно принять, что 10% биомассы на Земле представлено белком, т. е. его количество измеряется величинами порядка (0,9—1,2) х 10¹² т.

В биохимии давно уже утвердилось положение о выдающейся роли белка в осуществлении жизненных функций. Обладая рядом специфических качеств, которые подробно будут рассмотрены ниже, белковые тела являются прин­ципиальной составной частью живых систем. Как выяснено в последние годы, очень важную роль в осуществлении жизненных процессов играют нукле­иновые кислоты (передают информацию о специфическом воспроизведении структуры важнейших биополимеров), высшие углеводы (обеспечивают меж­клеточные контакты и др.), некоторые виды липидов (участвуют в образова­нии мембранного аппарата клеток).

Остальные 50% сухого вещества организмов представлены соединениями других классов. Это — нуклеиновые кислоты (их доля в сухом веществе до­вольно стабильна и равна нескольким процентам), углеводы и липиды (их содержание в организмах сильно варьирует, причем в растительном мире преобладают углеводы, а в животном — липиды) и минеральные вещества (составляют в среднем около 10% от сухого вещества биомассы).

Кроме белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и минеральных веществ в составе организмов найдены в незначительных количествах углево­дороды, спирты, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, кетокислота, ами­нокислоты, эфиры, амины и разнообразные другие соединения. У некоторых видов животных, растений и микроорганизмов такие вещества накапливаются в значительных количествах и могут служить систематическим признаком (например, некоторые аминокислоты). Многие из упомянутых соединений обладают мощным физиологическим действием и выполняют роль ускори­телей или замедлителей жизненных процессов. Их иногда объединяют под названием биологически активных соединений, хотя химически они очень раз­нообразны. Это — витамины, гормоны, ростовые вещества, биостимуляторы, коэнзимы, антибиотики, фитонциды и т. п. Сюда же относятся вещества, возникающие в качестве промежуточных продуктов при тех или иных хими­ческих реакциях в организме. Эти соединения называются метаболитами.

Среди соединений, входящих в состав организмов, принято выделять пласти­ческие и энергетические вещества. Пластические вещества служат строительным материалом при формировании внутриклеточных структур, клеток и тканей. Это главным образом белки, нуклеиновые кислоты, некоторые виды липидов и высокомолекулярных, углеводов. Энергетические вещества выполняют роль поставщиков энергии для процессов жизнедеятельности, распадаясь при этом до СО₂ и воды. К ним относятся низкомолекулярные и некоторые высокомолекуляр­ные (гликоген, крахмал) углеводы и отдельные группы липидов (в основном жиры).

Приведенная классифика­ция носит весьма условный характер. Так, например, мно­гие биоактивные соединения несут в организме пластичес­кую функцию (некоторые ферменты); вместе с тем в опреде­ленных условиях пластические соединения могут использо­ваться как субстрат для окис­ления, т. е. играют энергети­ческую роль. Часто трудно провести границу между мета­болитами и биоактивными со­единениями, так как послед­ние возникают в процессе хи­мических превращений пер­вых. Ни к одной из этих кате­горий нельзя отнести соедине­ния, вырабатываемые для осу­ществления специфических функций (яды, пигменты, аро­матические вещества, алкало­иды и т. п.). Суммарные дан­ные о химических соединени­ях в составе биомассы Земли представлены на рис. 2.

Рис. 2. Состав биомассы

При оценке химического состава организмов следует иметь в виду, что, видимо, не все элементы, присутствующие в биологических объектах, необ­ходимы для осуществления процессов жизнедеятельности. Изучение потреб­ности животных, растений и микроорганизмов в определенных элементах показало, что всем без исключения организмам абсолютно необходимы С, Н, N, О, Р и S. Все живые существа нуждаются в Mg, Na, К, Ca, Fe, Zn, Mn, Cu, Со и Mo. Велика роль таких элементов, как Cd, Se, Li, В, Cl, Br, I и V. В то же время значение Al, As, Si, Cr, F, Rb и W для жизнедеятельности органических форм выяснено еще недостаточно. С новых позиций рассматривают биологи­ческую роль лантанидов и ряда других элементов, обсуждается проблема антагонизма и синергизма в действии микроэлементов.

Химический состав клетки. Перейдем теперь от данных, характеризующих химический состав живого вещества в целом, к рассмотрению содержания важнейших химических соединений в мельчайшей структурной единице живых организмов - клетке. Примером может служить простейшая живая система — бактериальная клетка (табл. 1).

Таблица 1 Примерный химический состав клетки кишечной палочки

¹ Согласно Международной системе единиц СИ молекулярная масса (М) измеряется в атомных единицах массы (а.е.м.); 1 а.е.м. « 1,66057 х 10^-27 кг. В биохимии молекулярную массу макромолекул принято выражать в дальтовах; 1 дальтон=1 а.е.м. В дальнейшем в некоторых понятных случаях обозначение «М» не указывается.

Из данных табл. 1 видно, что при ограниченном числе молекул ДНК и рибосомальных РНК клетка содержит несколько тысяч различных белков, около тысячи информационных РНК и сотни разнообразных низкомолекулярных соединений, относящихся к тем или иным классам органических веществ (крайняя правая графа таблицы). Число молекул высокомолекулярных соединений в бактериальной клетке сравнительно невелико и измеряется в основном десятками и сотнями тысяч, а низкомолекулярных — десятками миллионов, тогда как самая большая молекула — ДНК, с молекулярной массой в несколько миллиардов, присутствует в бактериальной клетке в единственном числе. Указанные соотношения в общем характерны для клеток любых организмов, хотя в клетках более высокоорганизованных форм число макромолекул измеряется сотнями миллионов и даже миллиардами, а общее число молекул достигает 10¹³—10¹⁵. Считают, что 1 мкм³ протоплазмы содержит около 40 млрд, молекул.

Рис. 3. Строение клетки

При помощи обычной и сканирующей электронной микроскопии получены детальные данные о внутреннем строении клеток: обнаружена тонкая структу­ра, представленная субклеточными образованиями, каждому из которых при­суща определенная функция или ряд функций (рис. 3 и рис. на форзаце учебника).

Еще более элементарно организованная живая система, являющаяся, види­мо, нижним пределом жизни (если не считать таковым вирусы и вироиды), представлена микоплазмами, насчитывающими несколько десятков видов и более 100 представителей. Эти мельчайшие тельца, обладающие всеми свойствами живого, способные расти и размножаться на искусственных пита­тельных средах, в десятки и даже сотни раз меньше упомянутой выше бакте­риальной клетки. Имея размеры (0,15—0,30) х (1,0—1,25) мкм, они крайне полиморфны, так как ограничены от внешней среды тончайшей (7,5 нм) двухслойной гибкой мембраной. В них содержится 4% ДНК ярко выражен­ного ЛТ-типа в виде единственной биспиральной кольцевой структуры с мо­лекулярной массой от нескольких сотен миллионов до миллиарда дальтон (600000—1.700.000 нуклеотидных пар); 8% РНК (в том числе все три вида рибосемальных РНК слабо выраженного АУ-типа и полный набор транспорт­ных РНК); до пятисот индивидуальных белков (М = 9000 — 200000), среди которых тестировано до 40 ферментов; липиды, углеводы, липополисахариды и другие вещества. По сравнению с бактериальной клеткой их структура предельно проста (рис. 4), а молеку­лярный состав предопределен набо­ром только тех соединений, которые абсолютно необходимы для обеспече­ния фундаментальных, элементарных актов жизнедеятельности.

Рис. 4. Жизненный цикл и ультраструк­тура микоплазмы:

1 — мембрана; 2 — рибосомоподобные образования; 3 — фибриллярный ДНК-содержащий материал; 4 — недиф­ференцированная терминальная зона; 5 — пузырек

Многочисленные и разнообразные биополимеры, входящие в состав жи­вого вещества (см. табл. 1), в значи­тельной мере реально существуют в виде биокомплексов, т. е. соедине­ний нуклеиновых кислот и белков, полисахаридов и белков, липидов и бел­ков, полисахаридов и липидов, раз­личных белков друг с другом и т. п. Благодаря этому возникают новые свойства и качества, не присущие био­полимерам в свободном состоянии. Поэтому изучению структуры и функ­циональной активности биокомплек­сов в современной биохимии уделяют большое внимание.

Высшей ступенью надмолекулярной организации биополимеров в клетке являются субклеточные частицы (см. рис. 3 и 4). Сочетание белков с липидами дает начало мембранам эндоплазматической сети, митохондрий, лизосом и т. п. Соединение белков с полисахаридами характерно для клеточных стенок. Рибонуклеиновые кислоты, взаимодействуя с белками, образуют рибонуклео-протеиновые частицы, в том числе рибосомы. Комплексирование ДНК с бел­ками и небольшим количеством РНК приводит к образованию хроматина, а на его основе — хромосомного и, в конечном счете, ядерного аппарата клетки.

В настоящее время биохимики уделяют особое внимание исследованию функциональной деятельности субклеточных структур: ядра, митохондрий, пластид, рибосом, лизосом, гиалоплазмы (основное вещество) и др. Раз­работаны специальные методы препаративного разделения субклеточных единиц при помощи ультрацентрифугирования, т. е. центрифугирования при очень быстром (несколько десятков и даже сотен тысяч оборотов в минуту) вращении ротора центрифуги. Развивающиеся при этом цент­робежные силы характеризуются фактором разделения (см. с. 36), т. е. отношением ускорения центробежной силы к ускорению силы тяжести, обозначаемой буквой g. Значения факторов разделения, при которых можно добиться осаждения из гомогената тех или иных субклеточных частиц, приведены на рис. 5.

Разделения субклеточных частиц можно добиться также путем пропуска­ния гомогенатов через колонку с гелем сефарозы. Частицы разного размера фракционируются здесь по принципу молекулярного сита (см. с. 30): сначала из колонки выходят ядра, затем митохондрии и лизосомы, вслед за ними — обломки эндоплазматической сети клетки (микросомы) и, наконец, свободные рибосомы.

Отдельные фракции субклеточных частиц используют для приготовления так называемых бесклеточных систем, позволяющих выявить функциональ­ную активность тех или иных структурных элементов клеточного содержимо­го. Работы с бесклеточными системами позволили впервые проникнуть в сущность окислительно-восстановительных процессов в клетке, раскрыть законо­мерности биосинтеза в ней нуклеиновых кислот и белков и сделать ряд других важных открытий.

Рис. 5. Упрощенная схема диф­ференциального центрифугиро­вания гомогената клеток печени крысы (по Ж.-К. Ролан, А. Селоши и Д. Селоши, 1978)

Гомогенизацию ткани и последующее центрифугирование ведут при О С. Цифры с ле­вой стороны пробирок указывают моляр­ные концентрации растворов сахарозы, обеспечивающих в данной зоне пробирки плотность раствора, при которой дальней­шее оседание определенных субклеточных частиц не происходит

Оказалось, что в ядрах, где сосредоточена почти вся клеточная ДНК, идет как ее биосинтез, так и новообразование всех видов РНК. В митохонд­риях интенсивно протекают процессы биологического окисления, сопряжен­ного с образованием важнейшего макроэргического соединения — аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), вследствие чего их считают энергетическими центрами клетки. Функция лизосом сводится к осуществлению процессов деструкции биополимеров при участии разнообразных гидролитических ферментов, которыми они очень богаты. Рибосомы, представляющие по современным данным механохимические машины молекулярных размеров, обеспечивают биосинтез всех клеточных белков. Мембраны эндоплазматиче­ского ретикулума делят клетку на ряд отсеков (компартменты), обеспечивая компартментализацию (обособленность) ряда химических процессов в ней, избирательный перенос веществ из одной части клетки в другую, равно как и протекание ряда химических реакций при участии ферментов, встроенных в мембраны эндоплазматической сети. Центриоли имеют отношение к та­кому важнейшему процессу, как перемещение хромосом в клетке при ее делении.

Закономерное сочетание деятельности субклеточных частиц лежит в основе жизнедеятельности клетки, регуляции обмена веществ в ней, быстрой перестройки клетки на новые стационарные режимы функционирования, обеспечивает экономное расходование вещества и существенное увеличение скорости многоступенчатых биохимических превращений. Именно благодаря этому в природе осуществляются непрерывное обновление и саморепродукция живого вещества, непрерывный и пока еще во многом таинственный процесс жизни.

Рассмотрению материальных основ его на уровне молекул посвящены последующие главы.