Зачем и о чем нужна генетическая информация

В предыдущей главе при характеристике обмена веществ мы уже говорили, что в ходе реакций пластического метаболизма в клетках синтезируются четыре типа сложных органических веществ: углеводы, липиды (жиры и им подобные вещества), белки и нуклеиновые кислоты (см. рис. 3.3). Из этих веществ клетки создают свои рабочие структуры, с их участием осуществляется жизнедеятельность – превращения энергии, размножение, рост, развитие, защита от внешних агентов и т.д. Теперь добавим, что основную роль в этих процессах, в исполнении всех жизненных функций играют белки.

Углеводы и липиды, при всей их важности как строительных и энергетических субстратов клетки, по сравнению с белками выполняют все же более простые и менее разнообразные функции. Причем сами углеводы и липиды создаются с помощью белков-ферментов, поэтому их функции можно рассматривать как продолжение функций соответствующих белков. Нуклеиновые кислоты – это генетические предшественники белков, они существуют для воспроизведения клеточных белков в ряду клеточных поколений.

Таким образом, для понимания существа жизни после выяснения ее энергетических источников важнейшим вопросом встает природа белков и принципы их функционирования.

Белки, или протеины, представляют собой полимерные молекулы - полипептиды длиной в 50–100–500 и более мономеров – аминокислот 20 разновидностей. Исходное определение “белок” возникло от сваренного куриного яйца; термин «протеин» (от греч. protos – первый, важнейший) подчеркивает роль белков как основы живой материи; “полипептид” – это уже биохимическое определение структуры белка.

В химической структуре аминокислоты слева и справа от центрального атома углерода (С) присутствуют “ручки” для соединения в полимерную цепь: аминогруппа -NH₂ и карбоксильная группа -COOH:

H H O

\ | //

N— C —C, или в кратком написании: NH₂- C HR-COOH.

/ | \

H R O-H

Одна из валентностей центрального атома углерода удерживает специфическую группу – радикал, обозначаемую в общем виде символом R. Строением радикала аминокислоты отличаются друг от друга (см. рис. 2.2, белки). Соединяясь в цепь, аминокислоты разного качества создают неоднородную по длине молекулу белка, подобную ожерелью, набранному из разнообразных бусинок.

У разных организмов существуют тысячи разных белков, больших и маленьких, но все они строятся из 20 видов аминокислот, которые различаются по составу и химическим свойствам их свободных концов – ради­калов. Между прочим, такая биохимическая гомологичность явно указывает на общность происхождения и эволюционную преемственность всех биологических видов.

Для каждого вида белка набор аминокислот, т.е. их количество и порядок чередования, строго индивидуален и состав­ляет его так называемую первичную структуру. От нее зависит конечная форма молекулы (вторичная и третичная структуры) и тип ее функционирования. Замена аминокислот в полипептидной цепи, т.е. изменение первичной структуры, приводит к искажению конечной структуры данного белка и утрате его функции.

Говоря о функциях белков, надо четко представлять, что они не просто “входят в состав” живой материи, но совершают ту или иную работу, которая и определяется как функция белка. Белки вместе с солями кальция составляют скелетную основу многих организмов, в том числе основу костей и хрящей у человека (опорная функция белков ). Двигательная функция реализуется сократимыми белками мышечных клеток. Транспортная функция белков проявляется в переносе кислорода от легких в разные органы (белок красных кровяных телец – гемоглобин), а также в поглощении клетками питательных веществ и выносе шлаков. Важнейшая функция белков-ферментов – ускорение (катализ) биохимических реакций, без чего просто невозможен обмен веществ в организмах. С помощью особого класса белков – иммуноглобулинов (их называют также антителами) осуществляется защитная функция, т.е. улавливание и уничтожение в организме чужеродных молекул, вирусов, бактерий (их обозначают общим термином – антигены). Аналогично с большой точностью распознавания осуществляется сигнальная функция белков-гормонов и их рецепторов, а также белков нервных клеток, ответственных за восприятие внешних раздражителей. Наконец, особые белки в клеточных ядрах осуществляют регуляторную функцию по отношению к генам – организаторам биосинтеза самих же белков. Ясно, что специфичность химического распознавания в реакциях фермент – субстрат, антиген – антитело, гормон – рецептор и других возможна только при строгом соблюдении определенной первичной структуры (последовательности аминокислот) белков.

Обычно называют еще энергетическую функцию белков, поскольку, как и другие органические молекулы, они могут окисляться до угле­кислого газа и воды и отдавать энергию на синтез АТФ. Такую энергетическую функцию выполняют, например, специальные белки яйца. Однако в обычных клетках на путь энергетического обмена вступают лишь избыточные и отработавшие свой срок (искаженные) молекулы белков. При голодании, когда исчерпаны запасы угле­водов и жиров, расщепление белков усиливается, в ущерб структурной целостности организма. Но целевое расщепление белков в энергообмене рас­точительно, так как аминокислоты представляют дефицитный продукт. Белки имеют уникальную структуру, которой дано более высокое предназначение.

Но зададимся вопросом: как долго может работать белок? Оказывается, белковая молекула со временем изменяется в результате “засорения” мелкими свободными радикалами – побочными продуктами обмена веществ. Происходит окисление белков (и не только белков) активными формами кислорода (H₂O₂, O₂^-, HO^-, NO^-), образующими­ся в ходе многих биохимических реакций. Возможно также внеплановое присоединение различных химических групп вроде -СН₃ или глюкозы. Следует вывод: белки со временем утрачивают нормальную структуру, стареют, становятся непригодными к выполнению своих функций. Вместе с белками стареют клетки, органы и в целом организмы. Следовательно, в живой природе должны быть механизмы замещения или воспроизведения стареющих белков, клеток и самих организмов. Такие механизмы действительно существуют.

Во всех клетках происходит постоянный синтез новых белков, идущих на замену изношенным и разрушенным. Особенно актуально обновле­ние белков для долгоживущих клеток – нервных, мышечных. Такие клетки живут годами и даже десятилетиями, но они обновляются изнутри – подобно тому, как мы ремонтируем дом, не разрушая его как целое строение. В других тканях реализуется стратегия обновления клеточного состава путем регулярного деления молодых (стволовых) клеток. Так, клетки крови обновляются за несколько недель, кожный эпителий – за неделю, кишечный эпителий – за двое суток. Но и эти процессы не обеспечивают бессмертия организму. Поэтому существует и более радикальный механизм защиты жизни, ее самовоспроизведения – это размножение целых организмов.

Важно то обстоятельство, что и отдельные клетки, и целые организмы воспроизводят в поколениях прежний план организации и “образ жизни”. В чем причина этого сходства? Где и в каком виде содержится и как реа­лизуется информация о строении и свойствах белков, клеток, организмов? Как эта информация наследуется? Успехи современной генетики, цитологии, эмбриологии дают на эти вопросы достаточно ясные ответы. Для контроля развития организма используется, прежде всего, собственная генетическая информация клеток. Большую роль в развитии играют также внешние, эпигенетические факторы. Кроме того, в строительстве клеток и органов имеют место процессы самоорганизации.

Таким образом, важнейшим свойством жизни является ее способность к самовоспроизведению. Процессы воспроизводства и индивидуального развития протекают и контролируются на разных уровнях: молекулярном, клеточном, организменном. Они выражаются в постоянном новообразовании клеточных белков, размножении самих клеток и целых многоклеточных организмов.