Нескучная биология - Алексей Целлариус

Полисахариды выступают в основном в двух качествах. Это или запас пищи, или одновремен-но опора и защита. Запасами пищи обычно служат крахмал (у растений) или гликоген (у животных). И то и другое – ветвящиеся цепочки из глюкозы, но отличающиеся по размеру и форме. И то и другое откладывается организмом про запас, причем иногда в большом количестве. В случае нужды они служат одновременно источником энергии, которая выделяется, когда их молекулы «рвут на части», и источником строительного материала.

Деревянное оружие полинезийцев

Другой полисахарид: целлюлоза – широко распространена преимущественно в растительном мире. Она тоже – полимер глюкозы, но расщепляется крайне тяжело. Обидно: целлюлозы в мире огромное количество, но использовать ее для еды удается только немногим организмам, у которых есть редкий фермент – целлюлаза. Из целлюлозы строятся клеточные стенки растений и некоторых микроорганизмов. В клеточных стенках сосудистых растений целлюлоза сочетается с лигнином – тоже полимером, но не сахаров, а фенолоспиртов. Лигнин, которого немногим меньше целлюлозы, вообще не усваивается никем, кроме некоторых грибов и бактерий. Штука это не только химически устойчивая, но и очень прочная. Из твердых пород деревьев (а древесина – это и есть сочетание целлюлозы с лигнином) в старину на островах Тихого океана, где не было подходящего камня, делали боевые мечи и кинжалы.

У животных целлюлозы и лигнина не бывает (исключение составляют асцидии, «туника» которых включает в свой состав целлюлозу), но у них бывает хитин, тоже полисахарид (правда, в его состав входит еще и азот) и тоже очень прочный. Из хитина строят свои панцири жуки, крабы и многие другие беспозвоночные.

Основа основ

Белок – основа любого живого организма. Если убрать из организма воду, то больше половины сухого остатка будет белком. Все белки – полимеры, состоящие из цепочки аминокислот. В состав белка, кроме вездесущих углерода, водорода и кислорода, всегда входит азот, на это указывает приставка «амино». Обнаружив это сочетание в названии любого вещества, можете быть уверены, что в него входит азот в соединении с водородом, так называемая NH2—группа. В состав белка часто входят и другие элементы, в частности – сера. Известно более десятка тысяч различных белков, и все они состоят только из двух десятков аминокислот, соединенных в разной последовательности.

Перечислить все, чем занимаются белки в живом существе, очень непросто. Почти нет процессов, в которых белки бы не участвовали.

Какие только функции не выполняют белки!

Из белков формируются опорные ткани – связки, сухожилия, хрящи, а в сочетании с известью – кости. Из белка кератина состоят волосы, перья, когти, рога, чешуи рептилий. Белки служат смазкой и увлажнителем – различные слизистые выделения. Разбухая, белки удерживают воду и служат «гидроскелетом» клетки. Все ферменты и многие гормоны – белки. Антитела, ответственные за иммунитет, – тоже белки. Из белковых молекул, способных скользить друг по другу, состоят волокна мышц. Белки служат транспортным средством: захватывают определенные молекулы и переносят их к месту назначения. Например, всем известный белок гемоглобин транспортирует кислород. Ну и, кроме всего прочего, белки служат пищей, хотя это вовсе не главная их функция. Собственные белки организм без крайней нужды на такие примитивные цели старается не расходовать, это все равно, что забивать гвозди микроскопом. Думаю, уже ясно, что Фридрих Энгельс недаром назвал жизнь способом существования белковых тел.

Память поколений

На фоне великого множества разнообразных белков нуклеиновые кислоты выглядят бедными родственниками – их существует всего две разновидности: ДНК (дезоксирибонуклеиновая) и РНК (рибонуклеиновая). Но роль этих двух соединений не уступает роли всех белков, вместе взятых. Именно в них зашифрована информация о том, какие белки, в каком количестве и при каких условиях будут синтезироваться в данной живой клетке. И именно они отвечают за «сборку» нужных белков из аминокислот.

Нуклеиновыми кислоты названы потому, что первоначально были выделены из клеточного ядра, а ядро по-латыни – нуклеус.

В свое время биохимикам пришлось немало поломать голову, прежде чем удалось выяснить, как нуклеиновые кислоты устроены. И выяснилось, что устроены они сравнительно просто.

Представьте себе две цепочки или лучше – два стержня, каждый из которых состоит из чередующихся остатков сахара (рибозы) и фосфорной кислоты. Заверните эти стержни спиралью и соедините стержни поперечинами. Получится эдакая закрученная лестница. Поперечины, ступеньки лестницы, состоят каждая из двух азотистых оснований. Всего этих оснований четыре: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). Каждая ступенька состоит или из гуанина и цитозина, или из аденина и тимина. Составить ступеньку, скажем, из цитозина и тимина не удастся, в этом случае она просто «не влезет» в пространство между стержнями. Ступеньки присоединяются всегда к противолежащим остаткам сахара. Благодаря тому, что остатки сахара чередуются с остатками фосфорной кислоты, между ступеньками и образуются промежутки. Каждая ступенька может быть присоединена к стержню как тиминовым (гуаниновым) концом, так и противоположным – адениновым (цитозиновым). Вот и все разнообразие: по сравнению с белком кажется негусто.

Строение ДНК: 1 – нуклеотиды; 2 – воображаемая ось молекулы; 3 – цепочки из дезоксирибозы и остатков фосфорной кислоты

Тем не менее, в последовательности ступенек зашифрована практически вся биохимическая информация об организме. И какие белки и прочие вещества входят в его состав, и как должны идти процессы синтеза, и как используется энергия, и как регулируются и сочетаются все эти процессы. В конечном итоге от этой информации зависит и из каких клеток этот организм состоит, и в какой последовательности формируются различные ткани и органы при развитии, короче – как этот организм устроен.

Молекулы нуклеиновых кислот каждого вида организмов: мухи, ежа, амебы или кокосовой пальмы хранят информацию о результатах миллионов лет уникального исторического развития. Но особенность такой молекулы заключается не только в том, что она хранит информацию. Эта лестница способна воспроизводить точнейшие копии самой себя. В какой – то момент на конце лестницы ступеньки начинают рваться пополам, и спирали расходятся. Каждая спираль с обломками ступенек настраивает недостающие половинки ступенек и второй «стержень». Недостающие элементы она черпает из так называемого нуклеотидного фонда – «плавающих» в окружающем растворе остатков рибозы, соединенных с остатком фосфорной кислоты и с одним из азотистых оснований. Такие кусочки, независимо от того, входят они в состав лестницы или существуют сами по себе, называются нуклеотидами. Нуклеотиды бывают четырех типов соответственно четырем типам оснований.

В результате расщепления с последующей достройкой (этот процесс называется репликацией) лестница дублируется, и дублируется вся информация, которая в этой странной молекуле содержится. Именно на этом дублировании, которое обеспечивает преемственность поколений, и держится вся жизнь на планете.

Липиды

Липиды – группа соединений, очень разно-образных по своим свойствам и строению. Липиды – это продукт объединения какого-либо из спиртов с так называемыми жирными кислотами. «Настоящий» липид – это фактически спирт, где к каждому атому углерода, кроме всего прочего, «прицеплен» остаток кислоты. Но биохимики включают в это семейство и некоторые другие вещества, которые, по сути, продукт того же союза – спиртов и кислот, но в этом конечном продукте уже не удается различить структуру ни того, ни другого.

Формула молекулы фосфолипида: 1 – остаток жирной кислоты; 2 – остаток глицерина; 3 – остаток фосфорной кислоты

То, что мы привыкли называть жиром, – это соединения, имеющие в основе трехатомный спирт глицерин. В зависимости от того, какого рода кислоты объединились с глицерином, эти жиры будут или тугоплавкими (собственно жиры), или легкоплавкими и при комнатной температуре жидкими (такие принято называть маслами). Главная роль всех глицеролов (это еще одно название жиров) – запасание энергии на черный день. Окисление одного грамма жира дает в несколько раз больше энергии, чем окисление одного грамма углевода. Правда, есть у липидов один недостаток – они не растворимы в воде. Это значит, что запасы нужно либо откладывать прямо там, где они потом будут использоваться, либо окислять жир, а потом каким-то образом транспортировать энергию. Углеводы же растворяются в воде и легко транспортируются «со склада» к месту использования. Поэтому углеводы – резерв быстрого реагирования, а для мобилизации жиров организму нужно какое-то время.