Химическое единство разнообразных живых организмов

Что отличает все живые организмы от всех неживых объектов?

Во-первых, в структурном плане они сложнее, и более высоко организованы. Они имеют более сложную внутреннюю структуру и содержат множество типов сложнейших молекул.

Во-вторых, живые организмы экстрагируют, трансформируют и используют энергию окружения, обычно в форме химических продуктов питания, или энергии излучения Солнца. Эта энергия позволяет живым организмам строить и устанавливать свои собственные пространственные организации и совершать механическую, химическую, осмотическую и других видов работу. Неживая природа под воздействием энергии стремится к более беспорядочному состоянию, стремится прийти к равновесию с окружением. В-третьих, самым характерным атрибутом живых организмов является их способность к точной саморепродукции и самоорганизации, что является квинтэссенцией живого состояния материи. Одиночная бактериальная клетка, помещенная в стерильную питательную среду, может дать миллиард дочерних клеток за 24 часа. Каждая из этих клеток содержит тысячи различных сложнейших молекул, однако каждая бактерия является точной копией оригинальной и сконструирована всецело исходя из генетической информации, заложенной в оригинальной клетке.

В неживой природе некоторую аналогию с саморепродукцией имеет рост кристаллов в насыщенных растворах. Способность кристаллов воспроизводить самих себя позволила всемирно известному физику Эрнсту Шредингеру в своем популярном эссе "Что есть жизнь?" еще в 1944 г. (задолго до современного понимания молекулярной генетики) описать довольно точно некоторые свойства дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК) - материала генов.

Каждый компонент живого организма имеет специфические функции. Это справедливо не только для макроскопических систем, таких как листья растения, легкие животного, но также для макроскопических внутриклеточных структур, таких как ядра и хлоропласты. Даже индивидуальные химические соединения в клетке имеют специфические функции. Взаимодействие среди химических компонентов живого организма есть динамическое, изменения в одном компоненте вызывают скоординированные изменения в другом, в результате целый объединенный ансамбль демонстрирует помимо всего характер каждого индивидуального составляющего. Коллекция молекул выполняет программу, конечным результатом которой является программа репродукции и самосохранения этой коллекции молекул.

Молекулы живых организмов подчиняются всем известным законам химии, но они взаимодействуют друг с другом в соответствии с набором принципов, которые в совокупности называют молекулярной логикой жизни. Эти принципы не включают новые или еще не открытые физические законы или силы. Они представляют набор взаимосвязей, характеризующих природу, функции и взаимодействия биологических молекул. Основная цель науки биохимии определить, как молекулы в коллекции, составляющие живые организмы, взаимодействуют друг с другом, чтобы установить и сохранить на века Жизнь. Хотя биохимия решает практические задачи медицины, питания, сельского хозяйства и промышленности, но в целом она исследует основы Жизни.

Большинство молекулярных составляющих живых систем построены из атомов углерода, соединенных друг с другом и атомами водорода, кислорода и азота посредством химических связей. Специфические валентные свойства атома углерода приводят к образованию большого множества молекул. Органические соединения с молекулярной массой менее чем 500 Дальтон, такие как аминокислоты, нуклеотиды, моносахариды, служат мономерными субъединицами белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов соответственно. Единичная белковая молекула может включать остатки 1000 и более аминокислот, а молекула ДНК - миллионы нуклеотидов.

Каждая клетка бактерии Ешерихия коли (Е. коли) содержит более, чем 6000 различных типов органических соединений, включая около 3000 различных белков и подобное число различных нуклеиновых кислот. В человеческом организме присутствуют многие десятки тысяч различных типов белков, также большое множество сахаридов и полисахаридов, лштдов и многих других низкомолекулярных веществ. Выделить, очистить и охарактеризовать все эти вещества - поистине гигантская задача.

Установлен факт, что каждый класс биологических макромолекул (белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды) состоит из небольшого набора мономерных субъединиц. Эти субъединицы, соединяясь ковалентно друг с другом, образуют практически безграничное множество последовательностей, подобно тому, как 33 буквы алфавита русского языка формируют беспредельное число слов, предложений, сочинений, книг.

Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) сконструированы из 4 типов простых мономерных субъединиц - дезоксирибонуклеотидов, рибонуклеиновые кислоты (РНК) также построены из 4 типов рибонуклеотидов. Белки включают в себя остатки 20 типов аминокислот. Восемь типов нуклеотидов, из которых построены все нуклеиновые кислоты, и 20 типов аминокислот, из которых построены все белки, идентичны во всех живых организмах на Земле.

Большинство мономерных субъединиц, из которых сконструированы все макромолекулы, выполняют более чем одну функцию в живых клетках. Так, нуклеотиды помимо прочего являются переносчиками энергии, а аминокислоты - предшественниками гормонов, нейротрансмиттеров, пигментов и т.д.

МОНОМЕРНЫЕ СУБЪЕДИНИЦЫ.

ЛИНЕЙНЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ.

Число линейных последовательностей равно S=N · L,

где N - число субъединиц,

L - длина линейной последовательности,

S - число линейных последовательностей.

Для белков (L=1000): S - очень большая величина. Дм нуклеиновых кислот (L -несколько миллионов): S - астрономическая величина. Для сегмента цели из 8 субъединиц число возможных различных последовательностей (S) равно:

Нуклеиновые кислоты 4⁸ = 65536, Белки……….. 20⁸=2.5610¹⁰.

Из представленного рассмотрения следуют некоторые принципы молекулярной логики Жизни:

1. Все живые организмы имеют одни и те же типы мономерных субъединиц.

2. В основе структуры биологических макромолекул лежат определенные шаблоны.

3. Идентичность каждого организма сохраняется путем сохранения отличительного набора нуклеиновых кислот и белков.