Склад живої матерії: біомолекули
Молекули, з яких складаються живі організми, підкоряються всім відомим законам хімії. Більшість хімічних компонентів живих організмів являють собою органічні сполуки, т. Е. Сполуки вуглецю, водню, азоту і кисню, це макромолекули білка і нуклеїнових кислот. Кожен вид живих організмів містить свій набір білків і нуклеїнових кислот. Можна говорити про необмежене різноманітності біохімічної основи життя, але це розмаїття зводиться до декількох типів простих і невеликих молекул, використовуваних як будівельних блоків. Так, білки являють собою ланцюги, що складаються з 20 різних ковалентно пов’язаних один з одним амінокислот. Структура нуклеїнових кислот являє собою певне розташування чотирьох нуклеотидів. Ці нуклеотиди і амінокислоти є однаковими у всіх організмах, включаючи тварин, рослини і мікроорганізми (що свідчить на користь того, що всі живі організми походять від одного предка).
Для різних форм живого необхідні лише 27 з 92 природних хімічних елементів, присутніх в земній корі. У живих організмах у найбільших кількостях зустрічаються чотири елементи: водень, кисень, вуглець і азот, – в більшості клітин на їх частку припадає більше 99% загальної маси. Хімічні властивості живих організмів в значній мірі залежать від вуглецю, на частку якого припадає більше половини сухої ваги. Атоми вуглецю мають здатність до утворення одинарних і подвійних ковалентних зв’язків. Речовини, що мають скелети з ковалентно пов’язаних вуглецевих атомів, називаються органічними сполуками, їх різноманітність практично необмежено. Майже всі органічні біомолекули можна розглядати як похідні вуглеців – з’єднань, що складаються з атомів вуглецю і водню. Практично всі суху речовину клітин складають органічні сполуки, представлені чотирма основними видами молекул: білками, нуклеїновими кислотами, полісахаридами і ліпідами. На частку білків припадає основна частина живої матерії. Білки служать тими інструментами, за допомогою яких генетична інформація отримує своє реальне втілення.
Білки – це не тільки найбільш численні, але й винятково різноманітні за своїми функціями макромолекули. Незалежно від функцій і біологічної активності вони побудовані з одного і того ж основного набору 20 стандартних амінокислот, кожна з яких, взята окремо, не володіє ніякою біологічною активністю. Від чого залежать властивості білків і як білки розрізняються хімічно? Виявляється, білки відрізняються один від одного тим, що мають свою послідовність амінокислотних ланок.
Амінокислоти – це алфавіт білкової структури. Двадцять амінокислот можуть дати достатню кількість послідовностей, щоб їх вистачило не тільки для тисячі білків, присутніх у кожного з тисяч існуючих видів організмів, але і для білків всіх тих видів, які коли-небудь існували або ж з’являться в майбутньому.
Залежно від послідовності амінокислот білки виконують різні функції. Самий різноманітний і найбільш високоспеціалізований клас білків складають ферменти – білки, що володіють каталітичної активністю. До теперішнього часу відкрито більше 2000 різних ферментів, кожен служить каталізатором якоїсь певної хімічної реакції.
Ферменти – це функціональні одиниці клітинного метаболізму. Ферменти – це справжні каталізатори, вони значно підвищують швидкість строго певних хімічних реакцій, але вони не можуть впливати на стан рівноваги прискорених ними реакцій, і при цьому вони не витрачаються і не зазнають змін.
Існує два шляхи підвищення швидкості хімічної реакції:
1) підвищення температури (підвищення температури на 10 ° C викликає прискорення хімічної реакції приблизно в 2 рази);
2) додавання каталізатора. Каталізатори прискорюють хімічну реакцію, знаходячи “обхідні шляхи”, що дозволяють молекулам долати активаційний бар’єр на більш низькому енергетичному рівні.
Ферменти, які здійснюють в клітці різні метаболічні процеси, наприклад перетворення глюкози в молочну кислоту в скелетних м’язах, організовані у вигляді послідовних ланцюгів або систем, в яких вони діють узгоджено. У кожній ферментної системі є хоча б один фермент, що виконує роль “диригента”, який задає швидкість всієї послідовної реакції. Такі ферменти, активність яких змінюється під впливом молекулярних сигналів різних типів, називаються регуляторними. Для каталицької активності багатьох ферментів потрібні ті чи інші кофактор небілкової природи (коферменти або метали у формі іонів). Попередниками багатьох коферментів служать вітаміни – органічні сполуки, які в малих кількостях повинні обов’язково бути присутнім в їжі людей, тварин для підтримки нормального розвитку і життєдіяльності організму.
В даний час відомо 13 різних вітамінів. Про біохімічної функції деяких вітамінів вперше стало відомо в 1930-і рр. Приблизно в той же час було з’ясовано, що в їжі людини і тварин повинен бути присутнім цілий ряд неорганічних елементів, які так само, як і коферменти, необхідні для активності певних ферментів. В даний час існує класифікація білків, заснована на їх біологічних функціях: ферменти, транспортні білки, харчові та запасні білки, скоротливі та рухові білки, структурні, захисні, регуляторні білки. Так, наприклад, деякі білки беруть участь в системі регуляції клітинної і фізіологічної активності. До них відносяться багато гормони, такі як інсулін, який регулює обмін глюкози, гормон росту, синтезований в гіпофізі; інші регуляторні білки, звані репрессора, регулюють біосинтез ферментів в бактеріальних клітинах.
Багато білки захищають організм від вторгнення інших організмів або оберігають його від пошкоджень. Імуноглобуліни, або антитіла, – це спеціалізовані білки, що виробляються в лімфоцитах, вони здатні розпізнавати проникли в організм бактерії, віруси або чужорідні білки і нейтралізувати їх.
Величезну роль в метаболізмі клітин відіграють вуглеводи, оскільки їх можна вважати основою існування більшості організмів. Вуглеводи займають центральне місце в метаболізмі зелених рослин та інших фотосинтезуючих організмів, що утилізували сонячну енергію для синтезу вуглеводів з CO2 і H2O. Походження назви “вуглеводи” пов’язане з тим, що більшість речовин цього класу являють собою сполуки вуглецю з водою, співвідношення між числом атомів вуглецю, водню і кисню в молекулах вуглеводів становить 1: 2: 1. Так, емпірична формула Д-глюкози C6H12O6, її можна записати (CH2O) 6 або C6 (H2O) 6. Більшість поширених вуглеводів мають емпіричну формулу (СН2O) 4.
Розрізняють три основних класу вуглеводів: моносахариди, олігосахариди, полісахариди. У природі більшість вуглеводів представлено у вигляді полісахаридів з високою молекулярною масою. Біологічне значення ряду полісахаридів полягає в тому, що вони забезпечують накопичення моносахаридів, інші ж служать структурними елементами клітинних стінок і сполучних тканин. Найбільш важливий резервний полісахарид в клітинах рослин – крохмаль, а в клітинах тварин – глікоген. Структурні полісахариди захищають клітини, тканини і органи, надають їм форму і підтримують її. Крохмаль і глікоген легко гідролізуються, це і дозволяє їм грати певну роль в енергетичному обміні. Целюлоза є лінійним нерозгалуженим Гомополісахариди, її полімерні ланцюги сильно витягнуті і з’єднуються один з одним пліч-о-пліч, утворюючи довгі нерозчинні фібрили.
(2 votes, average: 4.50 out of 5)