Молекулярно-генетический (субклеточный) уровень

В составе “живого вещества” основные функции исполняют органические молекулы – химические соединения на основе углерода. Минеральные вещества – вода, соли, кислород, оксиды и др., хотя и составляют более 80% массы организма, выполняют в основном роль промежуточных метаболитов и среды, в которой работают органические молекулы.

Простые органические молекулы (органические кислоты, сахара) представляют собой элементы первичного синтеза, например глюкоза (C₆H₁₂O₆) как продукт фотосинтеза у растений, а у животных это продукты разложения пищи или промежуточного обмена более сложных органических молекул. Простые органические молекулы уже могут быть исполнителями некоторых жизненных функций (глюкоза как источник энергии, некоторые аминокислоты в качестве сигнальных молекул). Однако их основной поток направляется на синтез более сложных соединений – органических макромолекул. Макромолекулами называют очень крупные (высокомолекулярные), обычно полимерные (многозвенные) соединения. Органические молекулы, как простые, так и сложные, в тесном взаимодействии с водой и солями образуют химическую основу клеток. Многие из них входят также в состав межклеточного вещества (плазма крови, основное вещество соединительной ткани, хряща, кости). Таким образом, специфический химический состав, включающий макромолекулярные органические вещества, – важнейшее отличие живой материи от неживой.

В живых организмах различают четыре типа органических веществ: углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты.

Углеводы бывают простые и сложные (рис. 2.2 – углеводы). К простым углеводам относятся моносахариды (уже упомянутая 6-углеродная глюкоза, подобная ей фруктоза). Сложные углеводы – это соединения из двух или более моносахаридов. Так, дисахариды (сахароза, мальтоза, лактоза) состоят из двух мономеров, подобных глюкозе, а полисахариды образованы сотнями и тысячами соединенных моносахаридов. Некоторые полисахариды выполняют опорную функцию: целлюлоза (клетчатка) – в клеточных стенках растений, хитин – у ракообразных, насекомых, грибов. В основном же углеводы выполняют энергетическую функцию, т.е. используются как “топливо” для получения энер­гии: глюкоза и ее полимеры – крахмал, гликоген.

Липиды – это жиры и жироподобные вещества. Липидная молекула состоит из полярной “головки” – видоизмененной молекулы глицерина, часто с включением фосфорной кислоты, и прикрепленных к ней двух-трех “хвостов” – углеводородных цепочек жирных кислот (см. рис. 2.2 – липиды). Головки гидрофильны, т.е. притягивают воду, а хвосты, напротив, гидрофобны – воду отталкивают, поэтому два слоя липидных молекул, обращенные друг к другу гидрофобными поверхностями, образуют водо- и иононепроницаемую пленку – мембрану. Билипидная мембрана, обогащенная белками и углеводами, образует основу поверхностного аппарата клетки (плазматическая мембрана); мембранное строение имеют также многие клеточные органеллы. Липиды, как и углеводы, заключают в себе много энергии, легко расщепляются и поэтому используются в энергетическом обмене.

Рис. 2.2. Структура основных макромолекул клетки

Белки (или протеины) – основные биополимеры, они выполняют большинство жизненных функций. Белковая цепь, полипептид, сложена из большого числа (50–100–500 и более) мономеров – аминокислот (рис. 2.2 – белки). Имеются 20 разновидностей аминокислот, различающихся своей активной группой – радикалом. Их чередование в молекуле белка не имеет какой-либо периодичности, но строго определено для каждого вида белка, как определен порядок букв в словах нашего языка. Поскольку 20 “букв-аминокислот” в белках разного типа выстраиваются в самых разных комбинациях, разнообразие белков при длине цепей в 100-300 аминокислот может быть бесконеч­но великим. Это структурное разнообразие и дает возможность белкам выполнять очень разные функции.

Нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus – ядро) впервые были выде­лены из клеточных ядер и представляют собой самые крупные, очень длинные полимерные макромолекулы. Различают рибо­нук­леиновую кислоту (РНК) и дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК). РНК – одноцепочечный полимер, ДНК – двухцепочечный. Мономерами в обоих случаях являются довольно сложные молекулы – нуклеотиды (рис. 2.2 – нуклеиновые кислоты; приведены лишь “скелеты” этих формул). Как аминокислоты в белках различаются своими радикалами, так и нуклеотиды в нуклеиновых кислотах отличаются друг от друга строением азотистых оснований. В ДНК это аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц), в РНК те же основания, только вместо тимина присутствует подобный ему урацил (У).

Уже в самой структуре молекулы ДНК, при ее воспроизводстве (репликация), а также при синтезе РНК (транскрипция) используется известный принцип комплементарности, или структурно-химической дополнительности, согласно которому нуклеотиды параллельных цепей взаимодействуют по схеме: А–Т(У), Г–Ц. Именно благодаря принципу комплементарности ДНК способна хранить и передавать информацию о структуре клеточных белков, а РНК способствует ее реализации в момент синтеза новых белков. Фрагмент молекулы ДНК, кодирующий структуру одной молекулы белка (полипептида), составляет единицу наследственности – один ген.

Макромолекулы разного типа обычно объединяются в молекулярные комплексы, из которых, в свою очередь, образуются обособленные рабочие структуры клетки, называемые (по аналогии с органами сложного организма) органоидами, или органеллами. Соответственно этому мы выделяем надмолекулярный и органоидный подуровни организации. Так, рибосомы производят в клетках синтез разнообразных белков. Хромосомы – микроскопические тельца, образованные молекулами ДНК в связке с регуляторными белками, являются хранилищем генов и обеспечивают их дозированную активность. Митохондрии и пластиды задействованы в энергетическом обмене. Заметим, что мак­ромолекулы, надмолекулярные комплексы, хромосомы, клеточные органоиды отвечают за отдельные свойства жизни: синтезы, наследственность, энергетический обмен и др. Но, взятые по отдельности, эти свойства еще не представляют того цельного явления, которое называется жизнью, да и проявляются они только в системе целостной клетки.

К молекулярно-генетическому уровню организации следует отнести и вирусы, которые считаются неклеточными формами жизни, так как не имеют клеточного строения. Вирусы – это мельчайшие (0,02–0,2 мкм) частицы, содержащие генетический материал (ДНК или РНК) и бел­ковую оболочку. У вирусов отсутствуют многие жизнеобеспечивающие структуры, поэтому вне клетки они не способны размножаться, синтезировать белки, усваивать энергию. Вирус “оживает” и размножается, только попадая внутрь клетки-хозяина (бактерии, гриба, растения или животного, а также и человека).

Таким образом, отдельные молекулярно-генетические структуры, включая вирусы, и даже клеточные органоиды не обеспечивают того критического уровня сложности, который можно было бы назвать полноценной жизнью. Для создания законченной живой системы требуется повышение уровня сложности еще на одну ступень.