Основы биохимии Том 1 - А. Ленинджер 1985

Биомолекулы
Биохимия - молекулярная логика живых организмов
Все живые организмы содержат органические макромолекулы, построенные по общему плану

Большинство химических компонентов живых организмов представляют собой органические соединения, т. е. соединения углерода, в которых атомы углерода ковалентно связаны с другими атомами углерода, а также с атомами водорода, кислорода и азота. Живая материя состоит из великого множества самых разнообразных органических соединений, причем многие из них представляют собой необычайно большие и сложные молекулы. Даже самые простые, мельчайшие по размеру бактериальные клетки содержат очень большое число различных органических молекул. Например, в клетке бактерии Escherichia coli (обычная кишечная палочка) насчитывается около 5000 разных видов органических соединений, в том числе 3000 различных белков и 1000 разных типов нуклеиновых кислот. Белки и нуклеиновые кислоты - это очень крупные и сложные молекулы (макромолекулы); точное строение известно лишь для немногих из этих молекул. В гораздо более сложном организме человека число различных белков заведомо превышает 50 000. По всей вероятности, среди белков Е. coli нет ни одного, который по молекулярной структуре был бы идентичен какому-либо белку человека, хотя многие из них функционируют сходным образом. Фактически каждый вид живых организмов содержит свой набор белков и нуклеиновых кислот, и почти все они четко отличаются от белков и нуклеиновых кислот, принадлежащих другому виду. Поскольку существуют около 10 миллионов видов живых организмов, легко подсчитать, что все эти виды, вместе взятые, должны содержать по минимальной оценке 10¹¹ различных белков и почти столько же различных нуклеиновых кислот.

Рис. 1 -2. Л. Схематическое изображение участка молекулы ДНК, состоящей из нуклеотидных строительных блоков четырех типов, расположенных в определенной последовательности. Б. Схематическое изображение участка молекулы белка, построенной из расположенных в определенной последовательности аминокислотных звеньев.

Если бы биохимики поставили перед собой задачу выделить, охарактеризовать и синтезировать все органические молекулы, входящие в состав живых организмов, то это было бы совершенно безнадежным делом. Однако, как это ни парадоксально, все огромное разнообразие органических молекул в живых организмах сводится к довольно простой картине. Это связано с тем, что все макромолекулы в клетке состоят из простых и небольших молекул нескольких типов, используемых в качестве строительных блоков, которые связываются в длинные цепи, содержащие от 50 до многих тысяч звеньев. Длинные, похожие на цепи молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) построены всего из четырех типов строительных блоков - дезоксирибонуклеотидов, расположенных в определенной последовательности. Белки представляют собой цепи, состоящие из 20 различных ковалентно связанных друг с другом аминокислот - низкомолекулярных органических соединений с известной структурой. Эти аминокислоты могут быть расположены в самых разных последовательностях и образовывать огромное множество разнообразных белков, подобно тому как 26 букв английского алфавита, расположенные в определенном порядке, составляют почти неограниченное число слов, предложений и даже книг. Более того, те четыре нуклеотида, из которых построены все нуклеиновые кислоты, и 20 аминокислот, из которых построены все белки, одинаковы во всех организмах, включая животных, растения и микроорганизмы. Этот факт убедительно свидетельствует в пользу того, что все живые организмы произошли от общего предка.

Для простых молекул, из которых построены все макромолекулы, характерна еще одна примечательная особенность. Она состоит в том, что каждая из этих молекул выполняет в клетке сразу несколько функций. Различные аминокислоты служат не только строительными блоками белков, но и предшественниками гормонов, алкалоидов, пигментов и многих других биомолекул. Нуклеотиды используются не только как строительные блоки нуклеиновых кислот, но и как коферменты и переносчики энергии. В живых организмах обычно не бывает соединений, которые не выполняли бы какой-либо функции, хотя функции некоторых биомолекул нам пока неизвестны.

Исходя из всех этих рассуждений, мы можем теперь сформулировать ряд принципов молекулярной логики живого:

Структура биологических макромолекул проста в своей основе.

Все живые организмы состоят из одних и тех же молекул, используемых как строительные блоки, что указывает на их происхождение от общего предка.

Идентичность организмов каждого вида сохраняется благодаря наличию свойственного только ему набора нуклеиновых кислот и белков.

Все биомолекулы выполняют в клетках специфические функции.