Биология клетки — молекулярные механизмы функционирования клеток

Для того, чтобы понять, как устроены и как функционируют живые организмы, необходимо прежде всего знать, из каких веществ они построены, как эти вещества образуются и как молекулы этих веществ объединяются, чтобы образовать те или иные части живого организма.

Органические соединения, входящие в состав живого, исключительно многообразны, а многие из них очень сложны. Даже в таких простых существах, как бактерии, содержится более 5 тыс. органических веществ, из них около 4 тыс. составляют различные белки и нуклеиновые кислоты. В сложных многоклеточных организмах количество этих веществ на два порядка больше.

Все органические вещества могут быть разделены на две группы: низкомолекулярные вещества и полимеры. Однако такие вещества построены из многократно повторяющихся единиц — мономеров, разнообразие которых не очень велико, что значительно упрощает их образование в клетке.

Количество мономеров в молекуле полимера может варьировать от нескольких штук до десятков миллионов. Полимер может состоять из одинаковых мономеров (гомополимеры), Например, крахмал и целлюлоза. Однако большая часть биологических полимеров построена из нескольких типов мономеров. Они носят название гетерополимеров. Мономеры, входящие в состав гетерополимеров, относятся, как правило, к одному классу веществ и соединяются одинаковыми связями. Важно заметить, что образование полимеров в живых клетках не связано с выделением воды, что делает возможным синтез полимеров в водной среде живой клетки. Наиболее часто в биополимерах встречаются сложноэфирная, гликозидная (ацетальная) и пептидная (амидная) связи.

Еще одной характеристикой полимеров является их разветвленность. Если каждый мономер образует две связи с соседними мономерами, то получается линейный полимер. Такими полимерами являются белки, нуклеиновые кислоты, многие полисахариды. Если же к мономеру присоединяется три или более других мономера, то образуется разветвленная структура. Примерами разветвленных полисахаридов являются крахмал и гликоген.

Мономерами, из которых построены биополимеры, являются, как правило, обычные для живых организмов низкомолекулярные вещества. Поэтому часто мономеры и образующиеся из них полимеры объединяют в отдельные классы биологических веществ. Наиболее важными являются четыре таких класса: 1) углеводы; 2) липиды; 3) аминокислоты и белки; 4) нуклеотиды и нуклеиновые кислоты.

Углеводы делятся на две группы: простые углеводы, или моносахариды, и сложные углеводы, или полисахариды. Моносахариды, обычно встречающиеся в живых организмах, содержат 5 или 6 атомов углерода. Моносахариды хорошо растворимы в воде, образуют кристаллы и имеют сладкий вкус. Молекулы моносахаридов могут образовывать связи между собой с потерей молекулы воды. В результате образуются полисахариды. Полисахариды нерастворимы в воде и не имеют сладкого вкуса. В живых организмах наиболее широко распространены полимеры глюкозы — крахмал, гликоген и целлюлоза.

Целлюлоза представляет собой линейный полимер, содержащий примерно 10 тыс. остатков глюкозы. Целлюлоза встречается в основном у растений, где составляет основу клеточных стенок. В форме целлюлозы у растений находится до 50% углеводов. Близок по строению к целлюлозе хитин. Хитин служит основой клеточных стенок грибов и образует наружный скелет у членистоногих.

Крахмал, как и целлюлоза, состоит только из остатков глюкозы. Крахмал служит основным запасным веществом у растений. У животных и грибов эту функцию выполняет гликоген — полисахарид, похожий на амилопектин, но отличающийся большей разветвленностью. Крахмал и гликоген накапливаются в клетках в виде гранул.

У животных встречаются также внеклеточные регулярные гетерополисахариды, такие как гиалуроновая кислота, хондроитины, дерматаны и гепарины. Они составляют значительную часть хрящей, сухожилий и других видов соединительной ткани.

Липидами называются вещества биологического происхождения, растворимые в органических растворителях и не растворимые в воде. В связи со столь расплывчатым определением, в эту группу входят вещества, довольно сильно различающиеся по химическим свойствам. Наиболее важны три группы этих веществ: триглицериды, фосфолипиды и стероиды.

Аминокислоты — соединения, содержащие кислотную карбоксильную группу и основную аминогруппу. В живых организмах обнаружено несколько сотен различных аминокислот, однако большинство из них встречается лишь в некоторых видах растений и не входит в состав белков. В белках встречается 20−30 видов аминокислот. При биосинтезе в белок включается 20 видов аминокислот, а остальные образуются в результате химических модификаций в составе белка.

Наличие большого числа мономеров и большая длина полимера приводят к возможности образования огромного количество различных полипептидов. Так, из 20 аминокислот может получиться 20² = 400 различных дипептидов, 20³ = 8000 трипептидов и т. д. Поскольку средний белок содержит несколько сотен мономеров, разнообразие белков практически не ограничено. Если рассматривать полимер из 100 аминокислот, то возможно 20¹⁰⁰ х10¹³⁰ видов полимеров. Если взять по одной молекуле каждого вида полимера, то их суммарная масса составит 10¹¹⁰ т, что значительно больше массы видимой части Вселенной.

По-видимому, все возможные полипептиды такой длины на Земле не могли образоваться за всю ее историю. Однако даже реально существующее в настоящее время многообразие белков крайне велико. Одноименные белки в разных видах организмов обычно отличаются друг от друга хотя бы по одной аминокислоте в последовательности. По современным оценкам каждый вид имеет от 4 до 60 тыс. различных белков. Если принять среднее значение 30 тыс. и общее число видов около 2 млн, то на Земле существует около 60 млрд различных белков.