Содержание
1. Организм как биологическая система
Основные структурные единицы организма -- клетки, которые вместе с межклеточным веществом складываются в ткани и органы. Органы объединяются в функциональные системы (пищеварения, дыхания, кровообращения и др.) и образуют организм, вся жизнедеятельность которого у человека и животных (за исключением наиболее примитивных) интегрируется и координируется нервной системой. От внешней среды организм отграничен наружными покровами, внутренней поверхностью дыхательных путей и легких, слизистыми оболочками органов пищеварения и выделения, воспринимающими воздействия внешней среды.
Клетки -- основные «кирпичики», из которых построен организм. Они тоже имеют весьма сложное строение и окружены мембранами, состоящими из белков и жироподобных веществ -- фосфолипидов. Мембраны могут пропускать одни вещества и закрывать вход для проникновения других или осуществлять транспорт веществ только в одну сторону, препятствуя обратному движению.
Поэтому клеточные мембраны называют полупроницаемыми.
Такие же мембраны разделяют клетку на отдельные «отсеки», или компартменты, и окружают различные клеточные органоиды. К числу таких «органов» клетки принадлежит прежде всего ядро, где хранится наследственный фонд клетки, ее генный аппарат, и где происходит начальный этап синтеза белков. Не менее важными органоидами являются митохондрии -- «энергетические станции» клетки, освобождающие энергию из окисляемых веществ и превращающие ее в легкоутилизируемую форму, позволяющую клетке использовать эту энергию в своей жизнедеятельности. Митохондрии представляют собой округлые или слегка вытянутые образования, состоящие из двух мембран: внешней и внутренней. На складках, или гребнях, внутренней мембраны в строго определенном порядке встроены ферменты биологического окисления и компоненты дыхательной цепи.
К органоидам клетки относятся также лизосомы -- маленькие пузырьки, содержащие ферменты, осуществляющие внутриклеточное переваривание и расщепляющие сложные биологические соединения (белки, нуклеиновые кислоты и др.), внутриплазматическая сеть (ретикулум) и пластинчатый комплекс -- мембранные образования, участвующие в ионном транспорте, процессах секреции и многих биологических синтезах. На мембранах митохондрий и других органоидов жестко встроены, а в полужидком внутреннем белковом содержимом клетки (цито-золе) растворены различные ферменты -- белковые биологические катализаторы, при помощи которых в клетке происходят все химические реакции.
Однако жизнь -- в первую очередь не структура, а процесс. Это постоянное обновление всех структур клетки и организма в целом. Все вещества, из которых построен организм и которые он вырабатывает, постоянно обновляются. Так, полупериод жизни некоторых выделяемых железами внутренней секреции гормонов составляет 1 -- 5 мин, сахара в крови -- 19 мин, гликогена в печени -- 20--24 ч, гликогена в мышцах -- 3--4 сут, белка в печени -- 4--10, резервного жира -- 16--20, а сократительных белков мышц -- около 30 сут. Относительно стабильной является лишь хранящая наследственную информацию ДНК.
Обмен веществ -- основное свойство и условие существования живой материи -- заключается в непрерывном поступлении в организм веществ, служащих источниками энергии и пластическим материалом, в усвоении (ассимиляции) этих веществ и в использовании их с последующим выделением из организма продуктов их расщепления. Таким образом, живой организм представляет собой «открытую химическую систему», через которую постоянно проходит поток веществ и энергии.
Все это принципиально отличает живые организмы от любых самых сложных и «умных» машин, которые представляют собой статичные системы с фиксированной конструкцией. Машины можно разобрать на детали, четко отграничив их друг от друга. Машины нуждаются в энергии лишь тогда, когда работают. Живые организмы не разделены на «детали», в них все тесно связано в единую систему, все взаимозависимо. В них нельзя даже четко различить структурные материалы и источники энергии: то, что образует структуру, может быть и источником энергии, а источники энергии могут входить в состав структур. Наконец, живые организмы нуждаются в энергии не только тогда, когда они выполняют внешнюю работу; их структуры могут поддерживаться лишь при непрерывной затрате энергии. Перерыв в снабжении ею приводит к необратимой утрате структуры и к смерти. Живой организм сам себя строит, поддерживает в «рабочем состоянии», ремонтирует, регулирует и воспроизводит.
2. Источники энергии жизнедеятельности
Каким же образом черпает организм необходимую ему энергию? Энергия освобождается в митохондриях клеток при окислении различных органических веществ, но используется не сразу, а накапливается в легкоутилизируемой форме в виде макроэргических (высокоэнергетических) соединений. При их расщеплении без промежуточного образования тепла химическая энергия их внутримолекулярных связей преобразуется в другие формы энергии: механическую, электрическую, световую и т. п.
Основным и главнейшим макроэргом является АТФ, состоящая из азотистого (пуринового) основания -- аденина, пятиуглеродного сахара -- рибозы и трех, последовательно присоединенных к ней молекул фосфорной кислоты. Отщепление от АТФ концевой и второй фосфатных групп приводит к освобождению по 30 кДж энергии на каждый моль: АТФ+Н2О->АДФ+Ф+30 кДж; АДФ+ Н2О->АМФ+Ф+30 кДж, где Ц -- неорганический фосфат.
АТФ -- источник энергии всех биологических процессов: движения, теплообразования, биоэлектрических явлений, различных биологических синтезов и даже нервной деятельности (схема 1). Расщепление АТФ необратимо: энергия макроэргической связи используется на внешнюю работу и уходит из сферы реакции. А так как потребность организма в АТФ исключительно велика, необходимо постоянное регенерирование этого вещества, образование новых молекул АТФ. Происходит это в процессе аэробного (с участием кислорода) или анаэробного (без него) окисления, сопряженного с фосфорилированием АДФ, а также путем креатинкиназной реакции.
В ходе аэробного и анаэробного (гликолитического) окисления образуются промежуточные макроэргические фосфорные соединения, фосфатная группа которых соответствующими ферментами «пересаживается» со всем запасом энергии на АДФ. Эти так называемые фосфо-трансферазные реакции происходят таким образом, что фермент сближает образовавшийся макроэрг и АДФ настолько, что между ними становятся возможными обмен электронами и возникновение связи фосфата с АДФ при одновременном отщеплении первого от исходного макроэрга (рис. 1).
В принципе так же протекает и креатинкиназная реакция. КФ содержится в клетках как источник макро-эргических фосфатов для регенерации АТФ в экстренных случаях. Реакция эта происходит очень быстро: она не требует ни кислорода, ни расщепления каких-либо органических веществ, так как макроэргическая связь фосфата КФ обладает таким же запасом энергии, как и макроэргические связи в молекуле АТФ: КФ +АДФ креатин + АТФ.
Реакция эта обратима в зависимости от концентраций КФ и АТФ: когда концентрация КФ высока, а АТФ низка, она идет вправо, а при обратных соотношениях -- влево. Таким образом, в ходе этой реакции избыток АТФ создает предпосылки для собственной ее экстренной регенерации. Естественно, что вследствие большого и непрерывного расходования АТФ она чрезвычайно быстро обменивается: полупериод жизни ее менее 1 мин, и за 1 сут каждая молекула ее обновляется (расщепляется и вновь регенерируется) 2400 раз!
Расходование и генерирование АТФ: І -- освобождение энергии, ІІ -- преобразование энергии и совершаемая работа
Реакция перефосфорилирования (фосфотрансферазная)
Итак, жизнь -- постоянное обновление белковых структур организма. Как же происходит этот процесс?
3. Строение белков и их роль в организме
Полное или частичное расщепление белков осуществляется особыми ферментами -- внутриклеточными протеиназами и пептидазами -- путем гидролиза, т. е. расщепления с присоединением воды по месту разрыва связи: AB + HOH -> АН - ВОН. А вот синтез белков намного сложнее.
Основными «кирпичиками» белков служат аминокислоты -- органические соединения, содержащие щелочную аминогруппу (-- NH2) и кислотную -- карбоксил (--СООН), т.е. являющиеся одновременно и основаниями, и кислотами:
В образовании белков участвует до 20 различных аминокислот, соединяющихся в разной последовательности в длинные цепи, называемые полипептидными. Аминокислоты в них связаны друг с другом группами --NH2 и --COOH так, что к аминогруппе одной аминокислоты присоединяется карбоксил другой и т. д. Такую связь называют пептидной:
Рассмотрим строение белков подробнее. Эти сведения понадобятся нам в дальнейшем, так как основные приспособительные изменения организма на молекулярном уровне прежде всего и главным образом касаются структуры и свойств клеточных белков. Белки -- макромолекулы, в состав которых входит от 100 до нескольких тысяч аминокислотных остатков, что обусловливает их большую ММ, измеряемую десятками и сотнями тысяч атомных единиц массы, диаметром от 5 до 100 нм. Более короткие цепи (от 2 до 10) называют пептидами, а от 10 до 100 аминокислотных остатков -- полипептидами. Пептидная цепь -- лишь первичная структура белка, способная образовывать высшие структуры: свертывание цепи в клубок (глобулярные белки) или принятие ею нитчатой формы (фибриллярные белки). Связи между атомами, составляющими белковую молекулу, могут быть различными и обладать неодинаковой прочностью. Наиболее npo4Hbf ковалентные связи, т. е. такие, в которых пара электронов находится во владении двух смежных атомов. В белках такими связями соединены остатки аминокислот и атомы, их составляющие. Иначе говоря, первичная структура белка достаточно прочна, так как пептидная цепь построена с помощью ковалентных связей. Но есть связи и другого типа, например водородные, возникающие между двумя атомами с помощью водорода (чаще всего между атомами кислорода и азота). Дело в том, что у кислорода в местах соединения аминокислот друг с другом (т. е. в пептидной связи) имеется небольшой отрицательный заряд, а у азота -- небольшой положительный, так как у ядер атома кислорода больше сродство с электронами, чем у ядер азота. Вследствие этого ковалентная пара электронов, связывающая водород с азотом, смещается -- и атом водорода оказывается между двумя заряженными центрами:
С помощью этих связей образуется вторичная структура белковой молекулы, например спирализация ее, появляются складчатые и нитчатые структуры. При образовании третичной структуры, т. е. пространственной упаковки спирализованных и неспирализованных участков белковой модекулы (например, в шарообразных, глобулярных белках), большое значение имеет возникновение мостиков за счет двух атомов восстановленной серы (R--S --S-Ri, где R и Ri -- два участка полипептидной цепи). Кроме того, здесь принимают участие и электростатические (ионные) связи, появляющиеся между двумя ионизированными атомами (опять же, как правило, между азотом и кислородом):
Наконец, четвертичная (наиболее сложная) структура -- связь между несколькими одинаковыми или различными белками (называемыми протомерами), объединяющая их в одно целое (олигомер). Такая структура поддерживается ионными или водородными связями. Существуют и другие связи, менее прочные, чем кова-лентные, например взаимодействие свободных групп ОН и СООН, неполярных углеводородных радикалов и др.
Страницы: 1, 2, 3
