Новости Библиотека Учёные Ссылки Карта сайта О проекте


Пользовательский поиск





предыдущая главасодержаниеследующая глава

Молекулы жизни

Человек сравнительно недавно познакомился с клеткой, когда научился изготовлять линзы, дающие достаточно сильное увеличение. Однако только через два столетия он понял, что клетка - основа всего живого на Земле.

Если попросить любого ученого назвать десять велика чайших открытий за всю историю человечества, то в числе их наверняка будет назван микроскоп. Если создание телескопа дало людям новый метод исследования структуры макромира, то микроскоп открыл путь изучения микромира. Символично, что объектив телескопа направлен всегда вверх, к звездам, микроскопа - вниз.

Рождение новой науки - бактериологии тесно связано с именем голландского натуралиста А. ван Левенгука. Будучи по профессии торговцем сукном, он пользовался значительным авторитетом среди сограждан своего род- л ного города Дельфта. Левенгук был по-настоящему одаренный человек. Один из крупнейших специалистов по молекулярной генетике, американский ученый, член Американской академии искусств Г. Стент, говорил, что в науке добиваются наибольших успехов люди беспокойные, ищущие, любопытные, люди «фаустовского склада». Конечно, одних этих качеств недостаточно, нужен еще как абсолютно необходимое условие мощный интеллект. Когда все эти свойства объединяются, получается человек «фаустовского склада», истинный ученый.

Казалось, что нужно Левенгуку? Торговля сукном идет успешно, любой горожанин первым раскланивается с ним на улице, в доме полный достаток. Но Левенгук, не имея никакой специальной подготовки в науке, упорно занимается самообразованием. Он овладевает искусством изготовления стеклянных изделий и обработки металлов. Наибольшего мастерства достиг он в создании маленьких, но мощных линз, и ему удалось добиться огромного по тем временам увеличения в 150-200 раз.

Для Левенгука с его линзами открылся новый мир. Он часами рассматривал срезы пробки, листья растений, слюну, кровь, циркулирующую в хвосте саламандры, соскобы с собственных зубов... Именно тогда и удалось Левенгуку обнаружить живые существа, которые теперь ученые называют бактериями и простейшими. Он называл их «зверьками».

Левенгук обладал редкой изобретательностью и отточенным мастерством в шлифовке и оправке своих линз. Все это давалось огромным, тяжелым трудом и упорством. Свое искусство Левенгук хранил в тайне и, несмотря на просьбы других ученых, упорно отказывался открыть секреты мастерства.

Чтобы выяснить истинные размеры изучаемых объектов, Левенгук использовал метод сравнения, выбирая в качестве «эталонов» песчинку, зерно горчицы, глаз вши, а позднее волос и клетки крови. Поразительно, как еще в XVII веке удалось установить, что размер песчинки более чем в миллион раз превышает размер некоторых «зверьков». Исследования Левенгука составили эпоху в микробиологии. Его уникальные отчеты о наблюдениях начиная с 1647 года, находятся в Лондонском королевском обществе. Торговец сукном из Голландии стал членом этого общества.

В 1667 году английский врач и ботаник Р. Гук, рассматривая в микроскоп срез пробки, с удивлением обнаружил, что ее внутренняя, не видимая невооруженным глазом структура напоминает пчелиные соты. Утверждение, что клетки представляют собой основные единицы, из которых построено все живое, может показаться сегодня очевидным (тривиальным), но впервые клеточная теория была сформулирована лишь в 1839 году ботаником М. Шлейденом и зоологом Т. Шваниом. Эти исследователи пришли к открытию новой теории независимо, изучая растительные и животные ткани.

Наконец, в 1859 году Р. Вирхов сформулировал знаменитый принцип omne cellula e cellula (каждая клетка из клетки).

В течение последующих ста с лишним лет ученые продолжали дело Левенгука и выяснили внутреннюю структуру единицы живого - клетки. Вместо старого представления о капле протоплазмы сформировалась новая точка зрения, согласно которой каждая клетка - это крохотная фантастически сложная и сбалансированная машина, даже скорее не машина, а целая «молекулярная фабрика» с отдельными цехами. Если бы настоящая фабрика и завод работали с такой же точностью и экономичностью, как неповрежденная клетка вопрос о невыполнении плана просто никогда бы не возникал.

Молекулы жизни
Молекулы жизни

Отдельные «цехи» клетки биологи называют органеллами. Каждая органелла выполняет специальную функцию.

Что же представляет собой эта «молекулярная фабрика»?

Рассмотрим некий «синтетический» образ клетки так как в природе не существует клетки, которую можно было бы считать типичной. Итак, от внешней среды клетку отделяет очень тонкая оболочка толщиной каких-нибудь 100 ангстрем (ангстрем - десятимиллионная часть миллиметра). Клетки, принадлежащие к одному и тому же типу и сходные друг с другом, могут объединяться, бразуя ткань, в которую нет доступа клеткам других типов.

В этом взаимном притяжении и отталкивании клеток центральная роль принадлежит клеточной оболочке - мембране. Мембраны кровяных телец, эритроцитов, выполняют другую, не менее интересную работу. Они способны отличать ионы натрия от ионов калия. Ионы калия проникают в клетку, а ионы натрия мембрана «не пускает» внутрь. Иными словами, осуществляется активный перенос ионов. Кроме того, мембрана умеет механически втягивать в клетку большие молекулы и микроскопические частицы.

Внутри клетки, как мы уже говорили, находятся ор-ганеллы. Наиболее важные из них - хлоропласты клеток зеленых растений и митохондрии, встречающиеся как у животных, так и у растений. Эти органеллы - силовые станции всего живого на Земле. Именно в хлоропластах происходит связывание энергии солнечного света в процессе фотосинтеза. В митохондриях же извлекается энергия, заключенная в химических связях поступающих в клетку питательных веществ.

Для аккумуляции химической энергии в клетке природа выбрала только одно универсальное соединение с длинным и труднопроизносимым названием «аденозин-трифосфат», или, как его сокращенно принято называть, АТФ. Молекула АТФ - универсальное депо, распределяющее химическую энергию для самых различных нужд живой клетки.

Итак, митохондрии, хлоропласты, мембраны. Что еще есть внутри клетки? Органеллы, которые называются лнзосомами. Как всякое живое существо, клетка должна питаться и переваривать поступающую в нее пищу. Роль желудка в клетке и выполняют лизосомы, а роль Желудочного сока специальные белки - ферменты, разрушающие большие молекулы - пищу клетки.

Интересно, что лизосома, в свою очередь, окружена тонкой мембраной. Для чего это нужно? Если бы не былo мембраны, клетка быстро «съела» бы себя, поскольку Ферменты лизосом очень активны. Разрыв мембраны лизосом и освобождение ферментов приводит к лизису (растворению) клеток.

Заметим, что почти все реакции в клетке происходят в жидкой фазе. Жидкость, заполняющая внутреннее клетки, называется цитоплазмой.

В клетке существуют также небольшие гранулы, и которых происходит синтез белка. Они называются рибосомами.

И, наконец, клеточное ядро, хранилище генетической информации, генофонда, клеточной дезоксирибонуклей новой кислоты (ДНК). Именно здесь и начинаются прЗ цессы деления клетки. Естественно, что ядро также имя ет свою мембрану.

Создание современной картины строения клетки пя требовало развития сложнейшей аппаратуры. Чтобы за кончить описание анатомии клетки, нужно сказать несколько слов и о ее размерах. Такое простейшее, как скажем, амеба, имеет размер в одну сотую часть сантй метра, то есть представляет собой довольно крупную В поэтому очень удобную для изучения клетку. Амеба в десять раз крупнее клетки ткани млекопитающего и в сто раз больше бактерии. Размер обычной бактерии составляет несколько микрон. А самые маленькие живые существа? Не будем сейчас говорить о вирусах, так как самостоятельной жизни они вести не могут. Известия что только внутри клетки-хозяина вирусы проявляю» свою активность. Поговорим о самых мелких живых системах - бактериях.

Еще в конце XIX века великий французский химик и микробиолог Л. Пастер, изучая плевропневмонию, воспаление легких крупного рогатого скота, пришел к выводу, что некие микроорганизмы являются возбудителями этой болезни. Но выделить их Пастеру не удалось. Toлько в 1931 году, когда в распоряжении бактериологов оказались фильтры, диаметры отверстий которых точйЯ известны, было установлено, что возбудители плевропневмонии - крохотные бактерии, размером с вирус, а диаметр всего одна десятая микрона.

Шли долгие споры, бактерия это или вирус. Сравни тельно недавно, в 1962 году, были получены доказательства того, что это бактерии. Исследования показали, что микоплазмы, так были названы эти мельчайшие организмы, растут на специальных питательных средах и порождают копии самих себя, а значит, это не вирус, а бактерия.

Микоплазма в миллиард раз легче амебы. Для наглядности напомним, что амеба в миллиард раз легче небольшой крысы. Микоплазма даже меньше вируса коровьей оспы. И тем не менее микоплазма, этот самый маленький из известных на Земле живых организмов, умеет делать все, что делают более крупные клетки!

Существование таких крохотных и притом свободно функционирующих живых систем вызывает вполне естественный вопрос: а может быть, на Земле есть до сих пор не обнаруженные другие, еще более мелкие, чем микоплазмы, клетки? Это вопрос очень серьезный, потому что должны существовать какие-то теоретические ограничения па минимальный размер клеток. Точно так же, как звезды не могут быть меньше определенной величины, и клетка должна иметь какой-то минимальный диаметр.

Подумаем, каким образом можно оценить этот диаметр. Клетка обязательно должна иметь мембрану, хотя бы для сохранения своей собственной целостности. Толщина известных сегодня мембран около 100 ангстрем (0,01 микрона). Именно поэтому «минимальная» клетка не может иметь диаметр менее 200-300 ангстрем, что составляет одну десятую часть диаметра микоплазмы.

Биохимики считают, что подобная механическая оценка неудовлетворительна, потому что такая клетка просто не сможет вместить всех молекул, необходимых для ее существования, и «требуют» 400 ангстрем. Биофизики «просят» 500 ангстрем, считая, что при меньшем диаметре тепловое движение молекул может разрушать клетку.

Согласимся с биофизиками и будем считать, что минимальная гипотетическая клетка, которая «все умеет делать», всего вдвое меньше микоплазмы. Если эту клетку высушить, то в ней останется полтора миллиона атомов. Эти полтора миллиона и создают то чудо, которое называется жизнью.

Сразу же возникает еще один серьезный вопрос: можно ли микоплазмы считать самыми простыми образцами, жизни или же, наоборот, эволюция за долгое время создала такие удивительные инструменты? К сожалению, сегодня этот вопрос остается нерешенным.

Итак, полтора миллиона атомов и совершенно новое свойство материи - жизнь. Обмен веществ, движение, Размножение, раздражимость, превращение солнечного света в химическую энергию и так далее.

Одним из наиболее удивительных свойств жизни является то, что природа очень экономно использует находящиеся в ее распоряжении полтора миллиона атомов.

Очень небольшое количество типов молекул «работает» в клетке. Клетка - хорошая иллюстрация к афоризм)! Ньютона: «Natura enirn simplex est» («Природа проста»)!

Молекулы жизни-2
Молекулы жизни-2

Что же представляют собой эти молекулы?

В предыдущих главах часто использовались выражения «органические молекулы», «органические соединения» и так далее. Слово «органические» показывает, чтя эти молекулы связаны с жизнью, с организмами. Свойства органических молекул изучает специальная ветвя химии - органическая химия. На сегодняшний день известно около миллиона органических соединений, и людям понадобилось всего двести лет, чтобы изучить и описать свойства огромного числа соединений углерода.

Это стало возможным лишь после того, как в конце века проявилась очевидная бесплодность методов подходов алхимии. Тем не менее нужно сказать несколько слов об этом удивительно интересном направлении человеческой деятельности, потому что экспериментальная техника алхимиков послужила основой для химиков последующих поколений. Кроме того, в «актив» алхимии можно записать получение ряда чистых соединений и элементов.

В отличие от других наук древних времен побудительной причиной развития алхимии была не только человеческая любознательность. В течение многих сотен лет алхимики пытались создать философский камень - препарат, обладающий свойством превращать металлы в золото и являющийся одновременно эликсиром жизни. Этот препарат называли по-разному: красным львом, красной тинктурой, великим эликсиром. Ему приписывалась огромная сила. Раствор его (золотой напиток), принимаемый внутрь в небольших дозах, должен был исцелять все болезни и избавлять от старости.

Зародилась алхимия еще в Древнем Египте, где и был впервые получен нашатырь. Римский император Диоклетиан нанес сильный удар по алхимии, издав указ о предании огню всех египетских рукописей с описанием рецептов превращения металлов в золото. Однако наивная вера в возможность подобного превращения была неистребима, и алхимия получила повсеместное распространение в развитых странах Запада и Востока.

Пик развития этой науки приходится на средние века. Поскольку в те времена каждый выдающийся ученый обладал всей суммой знаний своего времени, то история алхимии тесно связана с именами знаменитых философов и богословов. Так, известные философы XIII века Альберт Великий, он же граф фон Болыитедт, и Р. Бэкон серьезно занимались алхимией. Р. Бэкоиу приписывают открытие пороха (в Европе), создание очков и телескопа. Не менее известный ученый Ф. Бэкон, барон, виконт и член палаты лордов, в XVI веке написал несколько научных трактатов, среди них «Введение в историю серы, ртути и соли».

В силу самой своей природы, своей основной цели, элхимия не могла не привлечь широкого внимания. Она соблазняла государственных деятелей, которым хотелось наиболее легким способом поправить шаткое финансовое положение, она же породила огромное число авантюристов и жуликов. Меценаты и владетельные князья чаще всего становились жертвами таких обманщиков. Например, в царствование Генриха VI Англия была повально наводнена фальшивым золотом и находилась на грани финансовой катастрофы. Резиденция императора Рудольфа II в Праге стала центром алхимической науки XVI-XVII веков. Такой же алхимический «бум» посетил и соседний саксонский двор, где курфюрст Август его супруга Анна Датская проводили в своих апартаментах «научные» исследования, пытаясь получить филосойский камень.

В истории поисков «красного льва» немало трашских событий. Владетельные князья не прощали обман и многие алхимики гибли под топором, на виселице иж в темнице. Так в 1709 году алхимик Каэтан, сын неадй литанского крестьянина, окончил свои дни в Берлине на виселице, украшенной золотой мишурой. Английски врач Р. Прайс объявил Лондонскому королевскому обществу, что им получен красный и белый порошок, с помощью которого ртуть по желанию может быть пот вращена в золото или серебро. Когда же от него потм бовали экспериментальных доказательств, чудодей отравился.

Однако не нужно забывать, что известный алхимии И. Беттхер, хотя и не добыл золото, но в 1704 году, на ходясь в тюрьме, получил коричневый яшмовый фарфоя а в 1709 году он же изобрел и белый фарфор. Гениальный И. Ньютон также был членом английского обществ алхимиков.

Смертельный удар по алхимии нанес великий врач Парацельс в XVI веке, который провозгласил, что главная задача алхимии не получение философского каамня, а облегчение страданий людей. «Химия - один из столпов, на который должна опираться врачебная наука. Задача химии вовсе не в том, чтобы делать золото и серебро, а в том, чтобы готовить лекарства», - говорил Парацельс.

Он первый посмотрел на процессы, идущие в живом организме, как на химические процессы, хотя и был уверен в возможности создания гомункула в колбе. На его примере особенно ярко проявилась та смесь схоластического невежества с гениальным прозрением, которая была характерна для средних веков. Вскоре после Парацельса и началось систематическое изучение живых систем.

Теперь, после короткой исторической экскурсии, вернемся к основной теме нашей главы - к молекулам живой клетки.

Без преувеличения можно сказать, что главным «под-опытным животным» в биохимии и микробиологии служит микроорганизм, который называется по-латыни Echerichia coli (Ешерихия коли). Для простоты ученые ее называют, «еколи». Это известная кишечная палочка - один из самых распространенных и легко культивируемых микроорганизмов. За короткое время на очень простых питательных средах, таких, как мясной бульон, можно вырастить многие миллиарды «еколи». Поэтому-то очень легко изучать их химический состав.

Оказалось, что 70 процентов веса высушенной клетки «еколи» составляют белки, 15 процентов - нуклеиновые кислоты, 10 процентов - липиды и 5 - полисахариды. Главные труженики клетки - белки. Ни один процесс, происходящий в живой клетке, не обходится без участия белков. Голландский ученый Мюльдер первый предугадал их центральную роль в жизненных процессах и назвал эти соединения в 1838 году протеинами (от греческого слова «протос» - первичный). В течение последующих ста пятидесяти лет многие ученые проявляли большой интерес к исследованию белков, и поэтому к настоящему времени об их сложной структуре и функциях известно довольно много.

В каждой живой клетке ежесекундно протекают сот-нн химических реакций. Однако вряд ли хоть одна из них осуществилась, если бы в них не участвовали биологические катализаторы - вещества, которые увеличивают скорость реакций в сотни тысяч раз, а сами при этом остаются неизменными.

В неорганической химии катализаторы, обычно такие металлы, как железо, никель, платина, широко используются для получения промышленно важных соединений. Однако эффективность металлов как катализаторов не идет ни в какое сравнение с эффективностью биокатализаторов. Они называются ферментами, а все ферменты - белки.

Это отнюдь не означает обратного, что все белки - ферменты. Белки используются природой в качестве строительного материала тканей: кожи, сухожилий, мышц, нервных волокон. Волосы и ногти, например, почти полностью состоят из белковых материалов, длинных волокнистых структур.

Центральную роль в любом организме играют фер. менты. Без них остановилась бы жизнь, все реакции в клетке настолько бы замедлились, что организм не сумел бы, например, своевременно удалять непрерывно накапливающиеся в нем ядовитые вещества.

Как построены белки?

Строительными блоками, кирпичиками для конструирования белковой молекулы служат аминокислоты. Их удается синтезировать in vitro, то есть вне организма, небиологическим путем. Двадцать природных аминокислот состоят из углерода, водорода, кислорода и азота. Правда, две аминокислоты из двадцати, участвующих в построении белков, содержат также серу. В чистом виде аминокислоты - белые порошки со слабым специфическим запахом.

В 1806 году из сока спаржи впервые было выделено соединение, которое оказалось аминокислотой и получило название аспарагина.

Какой химический смысл песет в себе слово «аминокислота»? Это значит, что молекула имеет одновременно в своей структуре и кислую и основную группы, которые прикреплены к одному и тому же атому углерода. Этот атом называется центральным. Роль кислой группы выполняет так называемая карбоксильная группа, состоящая из атома углерода, двух кислородов и одного водорода. Аминогруппа, в нее входят атом азота и два атома водорода, расположена на «другом конце» центрального атома углерода.

С 1806 по 1935 год химиками-органиками были получены все двадцать аминокислот. Интересно, что чистый препарат серосодержащей аминокислоты цистина получен в 1810 году из камней мочевого пузыря. Этот препарат сначала назвали окислом мочевого пузыря. Из белкового материала аминокислота была впервые выделена в 1820 году. Она оказалась самой простой. Эта аминокислота получила название глицина.

Несмотря на то, что все аминокислоты выделялись химиками из органического материала, лишь в 1870 году русский химик Н. Любавин впервые высказал идею о том, что белковое вещество состоит из аминокислот. Эта мысль лет на двадцать опередила свое время, и лишь работы Э. Фишера установили, что белки состоят только из аминокислот.

Молекулы жизни-3
Молекулы жизни-3

Химики-органики разработали приемы, используя которые можно заставить аминокислоты соединиться в цепочку. Такие полимеры аминокислот называются полипептидами. Полипептид можно получить искусственно. Белок вырабатывается только живой клеткой. В чем же разница между полимером, полученным в лаборатории, и полимером, построенным живой клеткой?

Вот здесь мы подошли к очень существенному и интересному вопросу. Известно, что аминокислоты можно синтезировать в пробирке. Можно сделать из них полимер. Будет ли этот полимер обладать теми свойствами белка, которые делают незаменимой эту молекулу в организме? Сразу и определенно можно сказать, что нет. И вот почему.

Обычно белковая молекула содержит сто-двести строительных блоков, их называют аминокислотными остатками. В «остатки» их записали потому, что, когда два молекулы аминокислоты связываются в дипептид, они «на пару» теряют одну молекулу воды. В пептидной цепи их структура уже несколько иная, чем в свободном виде. Если аминокислотных остатков сто, то очевидно, что из них (используя 20 различных сортов аминокислот) можно выстроить 20100 различных полипептидных цепей, отличающихся порядком расположения аминокислотных остатков. А сколько белков использует при работе клетка?

Вернемся к нашей микоплазме. Ей для нормальной жизни нужно приблизительно сто ферментов. Эти сто ферментов она строит из тех же двадцати аминокислот. Могла бы строить 20100, а строит меньше, чем 202. Все дело в специфичности белков-ферментов. Последовательность аминокислот в белке полностью определяет его функцию и, в частности, каталитические, или ферментативные, свойства. Поэтому, если мы каким-либо образом поменяем порядок аминокислот в белке, он потеряет свои свойства, которые жизненно необходимы для клетки, для организма.

Но ведь получил американский биохимик С. Фокс так называемые протеиноиды? Получил. Их молекулярный вес порядка 30 тысяч, и, значит, они содержат около 300 аминокислотных остатков. Эти протеиноиды похожи на белки, но все-таки это не белки. Да и способ их получения уж слишком экзотичен.

Фокс брал полностью безводную смесь аминокислот, причем обязателен был избыток аспарагиновой и глютаминовой кислот. Затем нагревал смесь до 170 градусов Цельсия. Аминокислоты сплавлялись в белковоподобное вещество, которое, правда, обладало очень маленькой каталитической активностью. Кроме того, им без вреда могли лакомиться и крысы и бактерии.

Но полностью безводные условия на ранней Земле вряд ли могли существовать. Кроме того, если органика образовывалась, то синтезировались не только аминокислоты, а и другие молекулы тоже. Так что опыты Фокса не слишком правдоподобны с геологической точки зрения. Таким образом, на сегодняшний день наиболее существенный из компонентов живой материи - белок не удалось получить в экспериментах, связанных с предбиологическими исследованиями.

Другой важный класс макромолекул живых организмов - углеводы. Это соединения, в которых атомы углерода, водорода и кислорода находятся в соотношении 1:2:1. Будучи одним из основных компонентов нашей ежедневной пищи, углеводы поставляют значительную часть энергии, необходимой для живого организма. Типичные углеводы, с которыми каждый из нас сталкивается ежедневно, - крахмал и сахар. Поскольку это вещества растительного происхождения, а основную массу живого на Земле составляют растения, углеводы имеют «прочное большинство голосов» среди других органических соединений на нашей планете.

Многие углеводы, выделенные из живых организмов, так же как и белки, полимеры. Но структурной единицей углеводов является молекула сахара, например, хорошо известной всем глюкозы. Поэтому полимеры глюкозы называются полисахаридами. Глюкоза, содержащаяся в свободном виде в сладких фруктах, необходима для «энергетического» питания организма. Недаром после болезни, когда человек ослаблен, ему назначают уколы глюкозы.

Молекула глюкозы представляет собой замкнутое кольцо с шестью атомами углерода, химики называют ее шестиуглеродным сахаром. Существуют сахара с большим и меньшим числом атомов углерода. Например, очень важную роль в биохимии играют пятиуглеродные сахара - пентозы. Они являются неотъемлемой частью нуклеиновых кислот.

Если мы будем последовательно присоединять одну молекулу глюкозы к другой, то в зависимости от способа присоединения получим крахмал или целлюлозу. Кстати говоря, целлюлозы в природе больше, чем какого-либо другого органического соединения. Целлюлоза - основной структурный элемент растительных тканей. Хлопок и лен содержат от 90 до 99 процентов чистой целлюлозы, древесина до 45 процентов. Длинные прямые пучки макромолекул целлюлозы образуют в организмах нити, прочность которых превышает прочность хорошей стальной проволоки такого же диаметра. Сахара и полисахариды без труда получаются в процессе небиологических синтезов, что впервые показал великий русский химик А. Бутлеров. Поэтому молекулы Сахаров никогда не будут камнем преткновения при попытке создания живого из неживого.

Молекулы жизни-4
Молекулы жизни-4

Важная составная часть организмов - макромолекулы, которые называются липидами. Более привычное название, употребляемое в обиходе, - жиры. Они тоже построены главным образом из углерода, водорода и кислорода, хотя иногда в их состав входит фосфор. Типичная молекула липида состоит из хорошо известного каждому глицерина (одной молекулы), который соединен с жирными кислотами.

Молекулы липидов обладают замечательным свойством. Они представляют собой цепочку, которая имеет «голову» и «хвост». «Голова молекулы» может раствориться в воде, а «хвост» нерастворим, гидрофобен. Поэтому молекулы липидов всегда ориентированы в клетке и являются одной из составных частей клеточных мембран. Совсем недавно удалось небиологическим путем синтезировать молекулы этого типа и получить из них аналоги биологических мембран.

В начале короткого рассказа о молекулах, входящих в состав живого организма, говорилось о том, что белки - наиболее существенный компонент живого. Это так. Белки - главные труженики клетки, исполнители. Но есть еще один тип макромолекул, без которых жизнь в виде, известном на Земле, была бы невозможна. Это знаменитые нуклеиновые кислоты.

В 1868 году, через три года после того как Г. Мендель заложил основы генетики, швейцарский врач Ф. Мишер выделил из гноя больничных бинтов новое вещество, которое он назвал нуклеином. Мишер установил, что нуклеин состоит из углерода, водорода, кислорода, азота и фосфорной кислоты.

Нельзя не подчеркнуть, что, как только заходит речь о важнейших макромолекулах, составляющих живую клетку, мы вновь и вновь сталкиваемся с замечательным свойством живого: в основе всего живого лежит химия углерода.

В 1889 году вещество, выделенное Мишером, было предложено называть нуклеиновой кислотой. Следует заметить, что Мишер нашел это соединение, изучая клеточное ядро, и, помимо получения нуклеина, что само по себе является эпохальным открытием, Мишер предположил, что именно нуклеин является генетически активным материалом. К сожалению, это осталось в то время незамеченным.

После открытия Мишера началось интенсивное исследование химии нуклеиновых кислот, но только через восемьдесят лет всем стала очевидна центральная роль, которую нуклеиновые кислоты играют в управлении клеточными процессами. Это, бесспорно, некая ирония судьбы, поскольку Мишер обнаружил нуклеин именно при попытке раскрыть химическую природу клеточного ядра. В 1910 году было установлено, что нуклеиновые кислоты содержат в своем составе сахар, а вскоре после этого было высказано предположение, что сахар и азотистое основание (например, упоминавшийся выше аденин) объединены в общий комплекс. Этот комплекс, в свою очередь, соединен с фосфорнокислым остатком. Углевод вместе с азотистым основанием назвали нуклеозидом, а нуклеозид вместе с фосфатной группой - нуклеотидом.

Нуклеиновые кислоты являются полимерами нуклеотидов - полинуклеотидами. В нуклеиновых кислотах используется, как правило, пять оснований - аденин, гуанин, цитозин, тимин и урацил.

К 1930 году стало ясно, что существует два типа нуклеиновых кислот, отличающихся молекулой сахара и составом азотистых оснований. Впоследствии они получили название рибонуклеиновой кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). В построении молекулы ДНК участвуют четыре азотистых основания - аденин, гуанин, тимин и цитозин. В РНК вместо тимина - урацил. Есть и отличие в пентозах: в состав РНК входит рибоза, а ДНК - дезоксирибоза. Ученым, занимающимся предбиологической химией, сто лет спустя после открытия Мишера удалось синтезировать нуклеозиды, нуклеотиды и их полимеры. Но полученное в лаборатории драматически отличалось от того, что делает живая клетка.

Структура клеточных нуклеиновых кислот идеальна. Это законченное молекулярное архитектурное сооружение. Нуклеиновые кислоты - полимеры нуклеотидов, и в клетке нуклеотиды соединяются между собой всегда по одному и тому же правилу. Мы помним, что пентозы - пятиуглеродные циклические сахара. Так вот, в нуклеиновых кислотах связь между нуклеотидами осуществляется через фосфатную группу, которая соединяет совершенно определенный атом углерода в пентозе одного нуклеотида с другим всегда одним и тем же (из пяти возможных) атомом углерода в пентозе другого нуклеотида. А в колбе получается хаос. Эта та же ситуация, которая случается с ребенком, когда он впервые открывает игрушку-конструктор. Чтобы построить что-нибудь стоящее, необходимо прикладывать одну деталь к другой определенньм образом. Природа умеет это делать, а химики пока нет.

Кроме того, клетка способна создавать информацию. И это главное.

предыдущая главасодержаниеследующая глава

Купить сервер HP Proliant DL80 Gen9 в Москве недорого на proliant-hp.ru.




Rambler s Top100 Рейтинг@Mail.ru
© Злыгостев Алексей Сергеевич, 2001-2017
При копировании материалов активная ссылка обязательна:
http://nplit.ru 'NPLit.ru: Библиотека юного исследователя'