конспекты / БІОХІМІЧНІ КОМПОНЕНТИ КЛІТИН

1

БІОХІМІЧНІ КОМПОНЕНТИ КЛІТИН

Біохімічний склад живих організмів суттєво відрізняється від хімічного складу компонентів неживої природи на Землі та відомих космічних об’єктах.

Особливості хімічного складу живих організмів

Так, зокрема, якщо в складі земної кори більше 1/3 її кількості займають Al та Si, то вони практично відсутні в біологічних системах або зустрічаються у слідових кількостях. З іншого боку, вуглець (С), азот (N), водень (Н) та фосфор (Р) сконцентровані вживихорганізмах у кількостях, що в 20-200 разів перевищують їх вміст у об’єктах неживої природи (табл. 1.1):

Табл 1.1. Вміст хімічних елементів (%) в земній корі та в організмі людини

фосфор (P), сірка (S). Ці елементи входять до складу всіх біоорганічних сполук живих організмів

(біомолекул) і отримали назву біоелементів, або органогенів.

Біохімічні компоненти клітини Біомолекули — біоорганічні сполуки, що входять до складу живих організмів та

спеціалізовані для утворення клітинних структур і участі в біохімічних реакціях, які

Головні класи біомолекул, що складають основу структури та функції живих

Білки та амінокислоти. Білки (протеїни) — найважливіший клаc біомолекул, з наявністю

яких, а також нуклеїнових кислот, пов’язують саму хімічну сутність життя в умовах Землі. Білки є

біополімерами, що складаються з двадцяти L-амінокислот, які утворилися

в умовах хімічної еволюції на етапі “переджиття” (П.Тейяр де Шарден) і становлять разом з

білковихмолекулзробленовидатнимнімецькимхімікоморганіком та біохіміком Е.Фішером.

та піримідинового ряду, є носіями генетичної інформації у всіх живих організмах,

людство зобов’язане швейцарському лікарю та біохіміку Ф.Мішеру (1869р.), який вперше виявив

у клітинних ядрах (nucleus) фосфатовмісні сполуки кислого

характеру.

Сучасна молекулярна біологія народилася майже через 100 років після відкриття Ф.Мішером

ДНК структуру типу “подвійної спіралі”, що стало передумовою розкриття основних

закономірностей її подвоєння — реплікації та пояснило фундаментальну

3

загадку життя — можливість консерватизму спадковості шляхом копіювання спадкових ознак у

прийдешніх поколіннях. Подальша розшифровка генетичного

коду, тобто відповідності послідовностей триплетів нуклеотидів в молекулах генетичних нуклеїнових кислот послідовностям амінокислот в білкових молекулах, та з’ясування біологічних функцій різних класів РНК дозволило сформулювати основні закономірності молекулярної біології, які визначають напрямки перенесення біологічної інформації у всіх живих системах:

Вуглеводи та їх похідні — клас біомолекул, що складається з моносахаридів,

гомота гетерополісахаридів. В організмі людини та тварин моносахариди (глюкоза,

фруктоза, галактоза) та гомополісахарид глікоген виконують енергетичні функції;

гетерополісахариди (до складу яких як мономери входять переважно аміноцукригексозаміни та їх

функції, виступаючи як енергетичний матеріал (триацилгліцероли, або нейтральні жири),

для життєдіяльності, зокрема є компонентами метаболізму, за участю яких функціонують певні

та наявності локалізованих наклітинах-мішенях біохімічних структур, що специфічним чином

моно-, ди- і трикарбонових кислот, спиртів, амінів, що є проміжними продуктами обміну

Хімічний склад живих клітин відрізняється у прокаріотів та еукаріотів, і в багатоклітинному

онтогенезу. Склад головних біохімічних компонентів у найбільш вивчених об’єктах дослідження біохімії та молекулярної біології — кишковій паличці Escherichia Coli (E.Coli) та печінці білих щурів — наведено в табл. 1.2.

безперервним обміном речовинами та енергією з навколишнім середовищем (метаболізмом). Для

всіх класів біомолекул характерна середня тривалість напівжиття

(Т1/2), протягом якого компоненти певної біологічної структури (цілого організму, органа,

(А.Я.Николаєв, 1998). Основні біохімічні перетворення біомолекул, які становлять сутність обміну

речовин, відбуваються внутрішньоклітинно, в субклітинних органелах — ядрі,

мітохондріях, рибосомах, ендоплазматичному ретикулумі, лізосомах, пероксисомах, апараті

Гольджі. Для кожної субклітинної структури притаманні певна

сукупність ферментів, що в ній містяться, та певна послідовність реакцій обміну речовин —

5

неорганічні сполуки. Залежно від того, в якому вигляді організм отримує з навколишнього середовища енергію та вуглець, необхідні для побудови власних біомолекул — метаболітів і

хімічна енергія, яка звільняється в результаті реакцій окислення біомолекул — проміжних

продуктів внутрішньоклітинного розщеплення моносахаридів

(переважно глюкози), жирних кислот, гліцерину, деяких амінокислот. Основні реакції

складні ферментні та йон-транспортуючі системи,які реалізують накопичення енергії окислювальних процесів у вигляді високоенергетичних(макроергічних)зв’язків АТФ.

6

Походження біомолекул Принципово важливим, фундаментальним завданням сучасної біохімії є розв’язання проблеми виникнення життя на Землі,хімічної еволюції, що передувала появі перших

живих організмів. Згідно з існуючими уявленнями, витоки яких були закладені ще

Чарльзом Дарвіном (1871), створення біомолекул та перших примітивних живих клітин відбувалось в умовах прадавньої Землі під впливом фізичних факторів атмосфери приблизно 3 млрд. років тому за такою схемою:

Вирішальним етапом у розвитку проблеми походження біомолекул в умовах первісної

земної кори стали дослідження за біогенного синтезу біоорганічних сполук, що входять

до складу живих організмів. Визначним досягненням в експериментальному доведенні

можливостей хімічної еволюції стало класичне дослідження С.Міллера (S. Miller,1951),

який вперше показав можливість утворення карбонових кислот та -амінокислот, що

умовах, що моделювали первісну атмосферу, не тільки амінокислот, а й пуринів і

піримідинів, тобто попередників нуклеїнових кислот.

Упослідовностях реакцій, що призводять до абіогенного синтезу азотовмісних

У подальшому ціановодень може перетворюватися до ціанаміду, нітрилів та ціаноацетилену—попередників у синтезі амінокислот, пуринів, піримідинів, порфіринів:

Наведені реакції, які свідчать про можливість утворення біомолекул за умов, що

моделюють первісну атмосферу Землі, мають фундаментальне значення для

сучасного розуміння проблеми виникнення життя. Проте, оскільки синтез макромолекул білків та

нуклеїнових кислот в умовах існуючих біосистем єматричним,тобто

послідовність включення окремих мономерів в макромолекули (амінокислот та мононуклеотидів,

відповідно) програмується на основі інформації, яка закладена в

7

послідовностях матричних ланцюгів ДНК або РНК, головною нез’ясованою проблемою в питанні походження життя є синтез первісних інформаційних молекул, що,

попри існуючі теорії та гіпотези, належить до нерозв’язаних фундаментальних загадок сучасної теоретичної біохімії.