Вопрос 16

Особенности химизма клетки.

Из чего же состоит клетка, каким материалом она располагает, чтоб выполнить свою работу и общаться с другими? Вся химия клетки основана на том, что единым растворителем выбрана вода. Благодаря наличию диполъного момента у молекул воды проявляется способность образовывать ажурные структуры, в которых малые или фрагменты больших органических молекул могут размещаться «с выгодой» или, наоборот, с потерей энергии. Тем самым вода дифференцирует те или иные молекулы и их фрагменты по способности к образованию энергетически выгодных пространственных конфигураций. Высокий дипольный момент воды определяет и возможность растворенных веществ диссоциировать на заряженные ионы, переносить электрический заряд, включать наиболее дальнодействующие кулоновские взаимодействия. Вода и сама способна диссоциировать, что важно для проявления кислотно-основных свойств. Очевидно, что выбор воды в качестве универсального растворителя всеми живыми организмами – один из уровней системной химической организации.

Другой общий универсальный признак живых систем – использование атомов углерода для построения разнообразных по свойствам молекул. Три из четырех валентностей С могут быть использованы для сборки каркаса в трехмерном пространстве, причем связи –С–С– могут наращиваться практически без ограничений и создавать гигантские макромолекулы. Вариации длины и пространственного расположения углеродных цепочек макромолекул дают необычайно широкий спектр молекул с индивидуальными свойствами, дополнительно дифференцируемыми растворителем – водой. Четвертая валентность С может включать в различные участки макромолекулы фyнкциoнaльныe группы разной химической природы, с участием атомов серы, азота, кислорода, фосфора, металлов. Одни группы имеют полярную природу, и вода обеспечивает действие электрического заряда, так называемую гидрофильность. Другие группы и углеводородный каркас в целом гидрофобны, что позволяет в той же молекуле создать «микроотсеки», куда вода не допускается.

Принцип экономного использования исходных блoкoв реализуется при вариациях белковых молекул. Они построены из аминокислот, которые содержат две функциональные группы – амино- (–NH2) и карбоксильную (–СООН). Из гигантского возможного разнообразия аминокислот в живых организмах повсеместно встречаются 20, этого оказалось достаточно, чтобы обеспечить разнообразие свойств белковых макромолекул, так как каждый белок содержит в разных сочетаниях различные аминокислоты. По-видимому, природа и здесь действовала экономно, не выбирая для каждого организма индивидуальный набор форм, а обеспечивая их разнообразие минимальным общим набором. Ведь и так вариации пространственных конфигураций, полярных и неполярных участков, длины ответвлений, возможности образовывать связи с другими функциональными группами неисчерпаемо велики! Но и функции белков в организме ответственны и разнообразны: они участвуют в построении мембран клеток, выполняют роль переносчиков и катализаторов различных реакций, обеспечивают сократительную и многие другие функции клеток.

Во всех реакциях в самых разных организмах участвуют молекулы аденозинтгрифосфата (АТФ): их синтез позволяет запасать энергию, расщепление – высвобождать ее. «АТФ для биохимических машин то же самое, что электрический ток для электрического мотора». Собственно аккумулятором энергии служит связь Р–О–Р в молекуле АТФ, т.е. фрагмент неорганического фосфата. Сам синтез АТФ и отщепление фосфата сопряжены с большим количеством побочных реакций, казалось бы, излишне усложняющих процесс преобразования энергии. Но энергия – не самоцель, и этот процесс нерационально отделять от общей системы химических превращений, выстроенной на едином фундаменте связей –С–С– в макромолекулах, окруженных водой. Так что и здесь Природа экономна, но не в единичном решении, а в системном.

Как видим, биохимические функции живого вещества – действительно свой мир превращений вещества в биосфере, организованный на иных принципах, чем вне живых организмов.