Volume1

Глава 2. Химия клетки и биосинтез 99

вая полимеризация мономеров в длинную цепь — простой «способ производства» крупной, сложной молекулы, так как субъединицы присоединяются в ходе одной и той же реакции, осуществляемой снова и снова одним и тем же набором ферментов. До некоторой степени данный процесс напоминает повторяющееся действие машины на фабрике — за исключением одного важного момента. Кроме некоторых полисахаридов, большинство макромолекул строится из набора мономеров, которые немного отличаются один от другого: например, 20 различных аминокислот, из которых получаются белки. Чрезвычайно важно для жизни, что полимерная цепь не собирается наугад из этих субъединиц — вместо этого необходимые субъединицы вставляются в цепь согласно заданному порядку и образуют определенную последовательность. Искусные механизмы, которые позволяют этому свершиться при помощи ферментов, будут подробно описаны в главах 5 и 6.

2.1.16.  Нековалентные взаимодействия определяют как точную форму макромолекулы, так и ее способность связываться с другими молекулами

Большей частью ковалентные связи в макромолекуле допускают вращение соединяемых ею атомов, что придает полимерной цепи большую гибкость. В принципе, это позволяет макромолекуле принимать почти неограниченное число форм, или конформаций, так как энергия беспорядочных тепловых колебаний побуждает цепь полимера изгибаться и вращаться. Однако формы большинства биологических макромолекул строго ограничены из-за множества слабых нековалентных связей, которые образуются между различными частями одной и той же молекулы. Если такие нековалентные связи образуются в достаточном числе, то полимерная цепь может предпочтительно принимать одну-единственную специфическую конформацию, определяемую линейной последовательностью составляющих ее мономеров. Благодаря этому большинство белковых молекул и многие малые молекулы РНК в клетках прочно свернуты в какую-то одную предпочтительную конформацию (рис. 2.31).

Четыре известных типа нековалентных взаимодействий, значимых для биологических молекул, были описаны ранее и вкратце представлены в приложении 2.3 (стр. 176–177). Хотя сами по себе эти взаимодействия очень слабы, вкупе они способны свернуть биологические макромолекулы в уникальные формы. Кроме того, объединенными усилиями они могут также обусловливать сильное притяжение между двумя различными молекулами — когда эти молекулы очень тесно прилегают одна к другой, словно рука в перчатке. Данная форма межмолекулярного взаимодействия предполагает большую специфичность, ввиду того что многоточечные контакты, необходимые для сильного связывания, позволяют макромолекуле выбрать — через процедуру связывания — только одну из многих тысяч молекул других типов, присутствующих в клетке. Более того, поскольку сила связывания зависит от числа образующихся нековалентных связей, постольку возможны взаимодействия почти любой степени сродства, что допускает быструю диссоциацию в случае необходимости.

Связывание такого типа лежит в основе всего биологического катализа— осуществления ферментативных функций белками. Нековалентные взаимодействия также позволяют употреблять макромолекулы в качестве стандартных блоков при формировании более крупных структур. В клетках макромолекулы часто связываются друг с другом в громадные комплексы и образуют посредством этого

Глава 2. Химия клетки и биосинтез 101

ввысокоточные конфигурации. Главные же их категории представлены саха- рами, жирными кислотами, аминокислотами и нуклеотидами. Сахара служат первейшим источником химической энергии для клеток и могут быть включены

вполисахариды с целью запасания энергии. Жирные кислоты также важны как хранилища энергии, но их основное предназначение — образование клеточных мембран. Полимеры, состоящие из аминокислот, – впечатляюще разнообразные и многофункциональные макромолекулы, известные как белки. Нуклеотиды играют главную роль в переносе энергии. Они являются также субъединицами для построения информационных макромолекул — РНК и ДНК.

Бóльшая часть сухой массы клетки состоит из макромолекул, которые

синтезируются в виде линейных полимеров аминокислот (белки) или нуклео- тидов (ДНК и РНК), ковалентно связанных друг с другом в строгом порядке. Большинство белковых молекул и многие молекулы РНК свернуты в уникальные конформации, которые определяются последовательностью входящих в них субъединиц. В результате процесса сворачивания (фолдинга) возникают уни- кальные поверхности, а зависит этот процесс от множества слабых сил при- тяжения, обусловленных нековалентными взаимодействиями между атомами. Это силы четырех типов: силы электростатического притяжения, водородные связи, ван-дер-ваальсовы силы и взаимодействие между неполярными гидрофоб- ными группами. Тот же набор слабых сил управляет специфичным связыванием других молекул с макромолекулами, давая начало мириадам различных сочетаний между биологическими молекулами, что и составляет материальную основу структуры и химии клетки.

2.2.  Катализ и использование энергии клетками

Благодаря одной особенности, присущей исключительно живым существам, они, на первый взгляд, почти сверхъестественно отличаются от неживой материи: они создают и поддерживают порядок во Вселенной, которая всегда стремится к всеобщему беспорядку (рис. 2.33). Чтобы создавать такой порядок, клетки

Рис. 2.33. Порядок в биологических структурах. Строго очерченные, расписные, богато украшенные и необычайно красивые пространственные структуры можно встретить на всех уровнях организации живых организмов. В порядке увеличения размера: а) белковые молекулы в оболочке вируса; б) регулярное расположение микротрубочек, видимое на поперечном срезе хвостика сперматозоида; в) очертания поверхности пыльцевого зерна (отдельная клетка); г) крупный план крыла бабочки, открывающийсянашемувзоруузор,созданныйчешуйками,гдекаждаячешуйкаявляетсяпроизведением одной-единственной клетки; д) спиральное расположение семян, построенных из миллионов клеток, вголовкеподсолнуха.(а—любезностьR. A. GrantиJ. M. Hogle;б—любезностьL. Tilney;в—любезность

C. MacFarlaneиC. Jeffree;гид—любезностьK. B. Sandved.)

102 Часть 1. Введение в мир клетки

в живом организме должны проводить нескончаемый поток химических реакций. В ходе некоторых из этих реакций малые органические молекулы: аминокислоты, сахара, нуклеотиды и липиды — расщепляются или видоизменяются, чтобы снабдить клетку множеством других необходимых ей маленьких молекул. В ходе других реакций эти малые молекулы используются для построения необычайно разнообразного множества белков, нуклеиновых кислот и других макромолекул, которые и наделяют живые системы всеми их необыкновенными, отличными от неживой материи свойствами. Каждую клетку можно рассматривать как крошечную химическую фабрику, ежесекундно выполняющую миллионы реакций.

2.2.1.  Метаболизм клетки организуют ферменты

Происходящие в клетке химические реакции в обычных условиях происходили бы при гораздо более высоких температурах, чем температура внутри клеток. Вот почему для любой реакции, проходящей в клетке, необходим специфический «стимулятор» активности реагирующих компонентов. Это важнейшее требование, определяющее способность клетки управлять всеми реакциями. Такое управление осуществляется с помощью специализированных белков, называемых ферментами, каждый из которых ускоряет, или катализирует, реакции только одного из многих возможных видов реакций, которым та или иная отдельно взятая молекула могла бы подвергнуться. Катализируемые ферментами реакции обычно связаны в последовательности, так что продукт одной реакции становится исходным материалом, или субстратом, для следующей (рис. 2.34). Такие длинные линейные цепочки реакций, в свою очередь, соединяются друг с другом, образуя целый каскад взаимосвязанных реакций, которые дают клетке возможность жить, расти и воспроизводиться (рис. 2.35).

Рис. 2.34. Набор катализируемых ферментами реакций формирует метаболический путь. Каждый ферменткатализируетопределеннуюхимическуюреакцию,самферментвсегдаостаетсянеизменным. В данном примере набор последовательно действующих ферментов преобразует молекулу А в молекулуF,формируяметаболическийпуть.

Вклетках протекают два встречных друг другу потока химических реакций:

1)катаболические реакции расщепляют пищевые продукты на более мелкие молекулы, производя таким образом как энергию в полезной для клетки форме, так и некоторые из маленьких молекул, необходимые клетке в качестве стандартных структурных звеньев, и 2) анаболические, или биосинтетические, цепочки реакций, которые используют усвоенную в процессе катаболизма энергию для подпитки синтеза многих других молекул, образующих клетку. Вместе взятые реакции обеих категорий обеспечивают метаболизм клетки (рис. 2.36).

Глава 2. Химия клетки и биосинтез 103

Рис. 2.35. Некоторые метаболические пути и их взаимосвязи в типичной клетке. Около 500 постоянных метаболических реакций показаны схематично, где все молекулы в метаболическом пути представлены точками, как в желтом прямоугольнике на рис. 2.34. Путь,которыйвыделеннаэтойсхемежирнымиточками исоединительнымилиниями,—основнойпутьметабо- лизмауглеводов,которыйбудетвскорерассмотрен.

Многие моменты, связанные с метаболизмом клетки, составляют традиционный предмет биохимии, и нет необходимости рассматривать их здесь и сейчас. Но общие принципы, посредством которых клетки извлекают энергию из окружающей среды и используют ее для самоорганизации, занимают видное место в клеточной биологии. Мы начнем с обсуждения того, почему для поддержания жизнедеятельности живых организмов необходим постоянный приток энергии.

2.2.2.  Биологический порядок возможен благодаря тому, что клетки выделяют тепловую энергию

Всеобщее стремление вещей к беспорядку выражает фундаментальный закон физики — второе начало термодинамики, — который гласит, что во Вселенной или в какой-либо замкнутой системе (совокупность веществ, которая полностью изолирована от остальной части Вселенной) степень разупорядоченности всегда возрастает.

Из этого закона вытекают столь глубокие следствия для всех живых существ, что мы позволим себе переформулировать его.

Например, мы можем представить второй закон в понятиях вероятности и провозгласить, что системы самопроизвольно изменяются в сторону таких конфигураций, которые имеют наибольшую вероятность. Если мы рассмотрим,

Рис.2.36.Схематичноепредставлениевзаимосвязи между катаболическим и анаболическим путями в системе обмена веществ. Как показано на рисун-

ке,большаячастьэнергии,запасеннойвхимических связях молекул пищи, рассеивается в виде теплоты, поэтому масса питательных веществ, необходимых любомуорганизму,получающемувсюэнергиюзасчет катаболизма,намногобольше,чеммассамолекул,которыемогутбытьпроизведенывходеанаболизма.

104 Часть 1. Введение в мир клетки

например, ящик со 100 монетами, все из которых лежат орлами вверх, то в ходе серии событий случайных встряхиваний этого ящика первоначальное распределение монет будет неизбежно смещаться в сторону комбинации, состоящей из 50-ти орлов и 50-ти решек. Причина проста: существует бесчисленное множество возможных комбинаций монет, при которых будет достигнут результат 50/50, и только одно возможное расположение, при котором все монеты будут ориентированы орлами вверх. Поскольку смесь 50/50 представляется, таким образом, наиболее вероятной, мы говорим, что она более «разупорядоченная». По той же самой причине мы изо дня в день наблюдаем знакомую картину — жизненное пространство (жилое помещение, рабочее место) становится все более и более беспорядочным, если не сделать волевого усилия и не навести порядок: движение к беспорядку есть са- мопроизвольный процесс, для обращения вспять которого требуется периодически затрачивать немалые усилия (рис. 2.37).

Рис.2.37.Иллюстрацияежедневногосамопроизвольногостремлениякбеспорядку.Чтобыобратитьэто самопроизвольноестремлениекбеспорядкувспять,требуетсяволевоеусилиеивкладэнергии—дей- ствияотнюдьнесамопроизвольные.Фактически,согласновторомузаконутермодинамики,вмешательствочеловекавысвободитвовнешнююсредуизвестноеколичествотеплоты,достаточноедлятого,чтобы компенсироватьзатратыэнергиинаперестановкупредметовинаведениепорядкавэтойкомнате.

Величина беспорядка (степень неупорядоченности) в системе может быть определена количественно и выражена через энтропию системы: чем сильнее беспорядок, тем больше энтропия. Таким образом, еще один способ выразить второй закон термодинамики — это сказать, что системы спонтанно изменяются в сторону конфигураций с большей энтропией.

Глава 2. Химия клетки и биосинтез 105

Живые клетки — через выживание, рост и формирование сложных организмов — порождают порядок и таким образом, как может показаться, бросают вызов и противостоят второму началу термодинамики. Как же им это удается? Ответ кроется в том, что клетка не является замкнутой системой: она вбирает в себя энергию из окружающей ее среды в форме пищи или в виде фотонов, ниспосылаемых Солнцем (или даже, как у некоторых хемосинтезирующих бактерий, единственно из неорганических молекул), после чего использует эту энергию для наведения порядка внутри себя. В ходе химических реакций, которые производят порядок, клетка преобразует часть потребляемой ею энергии в теплоту. Теплота высвобождается в окружающую клетку среду и разупорядочивает ее, так что полная энтропия — энтропия клетки плюс энтропия окружающей ее среды — возрастает, как того и требуют законы термодинамики.

Чтобы понять и усвоить принципы, управляющие этими преобразованиями энергии, представим себе клетку, окруженную морем вещества, представляющего остальную часть Вселенной. Во время своей жизни и роста клетка создает внутренний порядок. Но она постоянно выделяет тепловую энергию, по мере того как синтезирует молекулы и собирает их в клеточные структуры. Теплота представляет энергию в ее наиболее неупорядоченной форме — хаотичной толчее молекул. Когда клетка выделяет теплоту в море, она повышает в нем интенсивность движения молекул (тепловых колебаний) и увеличивает тем самым его хаотичность, или неупорядоченность. Второй закон термодинамики удовлетворен, потому что увеличение степени упорядоченности в клетке с лихвой компенсируется еще большим уменьшением упорядоченности (возрастанием энтропии) в окружающем море вещества (рис. 2.38).

Откуда же берется высвобождаемая клеткой теплота? Здесь мы сталкиваемся с еще одним важным законом термодинамики. Первое начало термодинамики

Рис. 2.38. Простейший термодинамический анализ живой клетки. На схеме слева молекулы клетки

иостальнойчастиВселенной(океанматерии)изображенывотносительнонеупорядоченномсостоянии. Насхемесправаклеткавобралаэнергиюизмолекулпищиивысвободилатеплотувходереакции,которая упорядочиваетмолекулы,находящиесявклетке.Посколькутеплотаувеличиваетбеспорядоквовнешней среде, окружающей клетку (ломаными стрелками и искаженными молекулами показано вызванное теплотойусилившеесядвижениемолекул),второйзаконтермодинамики—которыйгласит,чтоколиче- ствобеспорядкавоВселеннойвсегдадолжновозрастать,—выполняется,померетогокакклеткарастет

иделится.Болееподробноеобсуждениеэтоговопросаизложеновприложении2.7(стр.184–185).

106 Часть 1. Введение в мир клетки

гласит, что энергия может быть лишь преобразована из одной формы в другую, но никак не появиться откуда-либо и не исчезнуть куда-либо. На рис. 2.39 представлены некоторые взаимопревращения между различными формами энергии. Количество энергии в различных формах изменяется в результате происходящих в клетке химических реакций, но первый закон говорит нам, что общее количество энергии должно всегда оставаться неизменным. Например, животная клетка впитывает питательные вещества и преобразует часть энергии, заключенной в химических связях между атомами этих молекул пищи (энергию химических связей), в беспорядочные тепловые колебания молекул (тепловую энергия). Как было описано выше, такое преобразование химической энергии в тепловую энергию является необходимым, если реакции, которые создают порядок внутри клетки, призваны привнести во Вселенную в целом еще больший беспорядок.

Клетка не может извлечь никакой выгоды из тепловой энергии, которую она высвобождает, разве только экзотермические реакции в клетке непосредственно будут связаны с процессами, которые производят порядок на молекулярном уровне. Именно такое сопряжение выработки теплоты с возрастанием упорядоченности отличает метаболизм клетки от расточительного сжигания топлива. Позже мы покажем, за счет чего осуществляется такое сопряжение. На данный момент достаточно знать, что прямая связь «сжигания» молекул пищи с «рождением» биологического порядка необходима клеткам для создания и поддержания островка порядка во Вселенной, погружающейся в пучину хаоса.

2.2.3.  Фотосинтезирующие организмы используют для синтеза органических молекул солнечный свет

Все животные существуют за счет энергии, запасенной в химических связях органических молекул, созданных другими организмами, которых они используют в качестве пищи. Молекулы, поступившие из пищи, поставляют также атомы, необходимые животным для строительства новой живой материи. Некоторые животные получают свою пищу, поедая других животных. Но в основании пищевой цепи животных находятся животные, которые поедают растения. Растения, в свою очередь, непосредственно улавливают энергию солнечного света. В результате первичным источником энергии, используемой животными клетками, оказывается Солнце.

Солнечная энергия поступает в живой мир благодаря фотосинтезу, протекающему в растениях и фототрофных бактериях. В ходе фотосинтеза электромагнитная энергия солнечного света преобразуется в энергию химических связей в клетке. Растения получают все необходимые им атомы из неорганических источников: углерод из атмосферного углекислого газа, водород и кислород из воды, азот из аммиака и нитратов почвы, а другие элементы, необходимые в меньших количествах, — из неорганических солей почвы. Энергия, которую растения получают из солнечного света, используется в клетках для построения из этих атомов сахаров, аминокислот, нуклеотидов и жирных кислот. Эти маленькие молекулы, в свою очередь, преобразуются в белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды и липиды, из которых формируется растение. После того как животное съедает растение, все накопленные растением вещества становятся для животного молекулами пищи.

Реакции фотосинтеза протекают в две стадии (рис. 2.40). На первой стадии энергия солнечного света поглощается и временно запасается в форме энергии