Свойства молекул, участвующих в биохимических процессах
Организм человека, как и все прочие живые объекты, состоит из молекул химических соединений. Эти молекулы не только подчиняются всем известным физическим и химическим законам, но способны также взаимодействовать друг с другом, приводя к появлению у живых организмов свойств, которых нет у объектов неорганического мира.
Одно из примечательных свойств живых организмов - их сложность и высокий уровень организации. Они обладают сложной внутренней структурой и содержат многочисленные химические соединения разнообразного строения. Каждый из отдельных химических компонентов, входящих в состав живого организма, выполняет строго определенную функцию. Вопрос о функциях молекул, образующих неорганические вещества, просто лишен какого-либо смысла.
Важной особенностью живых организмов является их способность извлекать из окружающей среды и преобразовывать энергию, которая расходуется на построение и поддержание сложной внутренней организации. Живые организмы способны выполнять и другие виды полезной работы, например механическую работу при передвижении. Объекты неживой природы не обладают способностью использовать внешнюю энергию для поддержания собственной структурной организации. Когда неорганическое вещество поглощает внешнюю энергию, например свет или тепло, оно, как правило, переходит в состояние с меньшей степенью упорядоченности.
Одно из главных свойств живых организмов - их способность к точному самовоспроизведению. Оно отсутствует у объектов неживой природы. Химические свойства, функции и характер взаимодействия специфических типов молекул, которые находятся в составе живых организмов, наделяют их способностью к самоорганизации и самовоспроизведению.
Не все органические соединения способны выполнять биологические функции. В процессе эволюции живые организмы «отобрали» только те из них, которые в наибольшей степени соответствовали их потребностям. Первичные биоорганические молекулы имеют абиогенную природу: они возникли в результате взаимодействия химических компонентов примитивной атмосферы Земли под влиянием излучений и газовых разрядов. Эти процессы привели к накоплению в достаточно высокой концентрации простых органических соединений, из которых в процессе эволюции отобрались те молекулы, которые в наибольшей степени способствовали выживанию первичных живых организмов.
Молекулы, участвующие в биохимических процессах, которые происходят в клетках живого организма, принято обозначать какбиоорганические.
Биоорганические соединения исключительно разнообразны. Сложные биоорганические молекулы состоят из небольшого числа простых молекул, которые служат строительными блоками и соединены друг с другом в длинные цепи. Например, молекулы белков построены из отдельных аминокислот, ковалентно связанных в полимерные цепи. В белках обнаружено всего 20 различных аминокислот, но они образуют огромное множество всевозможных белков, поскольку могут соединяться друг с другом в разной последовательности. Точно так же и длинные полимерные молекулы нуклеиновых кислот построены всего из 5 отдельных мононуклеотидов. При этом 20 аминокислот, из которых построены белки, и 5 мононуклеотидов, из которых построены нуклеиновые кислоты, одни и те же у всех организмов. В этом заключается принцип универсальности химического состава живых организмов.
Немногочисленныепростые молекулы, играющие роль строительных блоков макромолекул обычно выполняют в клетках несколько функций. Так, аминокислоты служат не только строительными блоками белковых молекул, но также предшественниками гормонов, алкалоидов, порфиринов и многих других биоорганических молекул. Мононуклеотиды используются не только как строительные блоки нуклеиновых кислот, но также как коферменты и аккумуляторы энергии.
В живых организмах содержится наименьшее число типов простейших из всех возможных молекул, достаточное для того, чтобы обеспечить этим организмам свойственную им форму существования в определенных условиях среды. В этом проявляется присущий живым организмам принцип молекулярной экономии.
Динамичность форм жизни предъявляет особые требования к соединениям, участвующим в реакциях обмена веществ. Одним из условий пригодности молекул к выполнению биологических функций является их достаточновысокая химическая активность при умеренных температурах и способность вступать во взаимодействие с биологическими катализаторами, благодаря чему становятся возможными значительные изменения скорости происходящих реакций. Другое условие - достаточнаястабильность молекул в обычных условиях жизни, а также хорошая растворимость в воде. Например, при синтезе жирных кислот с длинной углеродной цепью исходным материалом являются молекулы уксусной кислоты. Именно уксусной кислоты, потому что более простая одноуглеродная муравьиная кислота не содержит метильной группы, необходимой для образования более крупных молекул, а все органические кислоты с большим, чем у уксусной кислоты, числом углеродных атомов значительно менее реакционноспособны. Этиловый спирт и уксусный альдегид содержат необходимую метильную группу, но спирт менее активен, а альдегид, хотя и очень активен, неустойчив. Поэтому никакое другое соединение не может конкурировать с уксусной кислотой, свойства которой идеально подходят для образования крупных молекул путем конденсации.