Клетка: структура, рост. Ферменты (стр. 3 из 4)
Природные белки образуются из 20 видов аминокислот, отличающихся только структурой своей боковой цепи (табл. 3.1). Аминокислоты могут соединяться в любой последовательности, поэтому клетки способны производить огромное количество видов белков. Их предполагаемое разнообразие выходит за рамки человеческого представления. Если имеется 20 видов аминокислот, то 2 аминокислоты – 400 видов дипептидов (с двумя остатками). Трипептидов уже будет 8 тысяч видов, тетрапептидов – 160 тысяч, а цепей из 300 аминокислот – 20300 видов. Такое огромное число невозможно себе представить. Все белки, когда либо производившиеся земными организмами, составляют лишь небольшую часть возможного разнообразия.
Каждый вид белка отличается уникальной последовательностью аминокислот. Например, у человека молекула гемоглобина, входящего в состав красных кровяных телец – эритроцитов, переносит кислород с кровью. Она начинается с последовательности Val-His-Leu-Thr-Pro-Glu-Glu-Lys-Ser–Ala–Val–Thr–Ala (буквенные сокращения означают ту или иную аминокислоту). У обычного человека каждая молекула гемоглобина начинается именно с этой последовательности. В простейшем организме производится по меньшей мере около 2 тысяч различных белков, а в сложных организмах, например у человека, – порядка 30-50 тысяч. (Недавние исследования определили именно такой диапазон, хотя точное количество остается неизвестным.) Каждый белок имеет структуру, подходящую для выполнения различных функций, поскольку белки – это основные «рабочие лошади» организма. Они выполняют практически все функции, которые мы отождествляем с понятием «живой организм»:
♦ белки – это ферменты, которые убыстряют и контролируют все химические реакции в организме;
♦ белки образуют видимые структуры тела: кератины служат строительным материалом волос, кожи и перьев; коллагены входят в состав хрящей и костей;
♦ белки образуют волокна, которые сокращают и растягивают мышцы и другие подвижные образования, такие как реснички и жгутики;
♦ белки составляют важный класс гормонов, которые передают сигналы от одного вида клеток в организме другому виду клеток;
♦ белки образуют рецепторы, которые получают сигналы, соединяясь с другими молекулами; клетка получает сигналы от гормонов, если молекула гормона соединяется с одним из ее рецепторов; рецепторы, благодаря которым мы чувствуем вкус и запах, позволяют организму распознавать наличие небольших молекул во внешней среде и реагировать на них;
♦ белки переносят ионы и небольшие молекулы через клеточные мембраны, что необходимо для работы нашей нервной системы и таких органов, как почки;
♦ белки регулируют все виды процессов и следят за тем, чтобы они происходили с нужной скоростью.
Понять, каким образом устроены клетки и как они работают, можно, только узнав подробнее о некоторых функциях белков.
3. Рост и биосинтез
Одно из самых очевидных свойств живого организма – способность к росту. Рост любого организма, например человека, является результатом двух процессов: роста клеток и их деления. Человек, как и многие другие виды организмов, растет только до известного предела, по достижении которого размеры остаются более или менее неизменными. Однако все наши ткани постоянно обновляются, некоторые даже с очень большой скоростью; отдельные клетки организма также постоянно растут, на смену старым приходят новые. Очевидно, что организм растет за счет поступления питательных веществ, из которых он создает свои структуры. Как давно было известно, «человек есть то, что он ест». Часть молекул, поступающих в виде пищи, мы преобразуем в строительные вещества для наших клеток, а другие молекулы образуют отходы, такие как углекислый газ, вода и мочевина. Фотосинтезирующие организмы (зеленые растения) в свою очередь этими «отходами» питаются, производя из них строительные вещества для своих клеток. Так или иначе, атомы из внешней среды становятся атомами растущего организма.
Рост – это химический процесс. При взаимодействии молекул одни связи атомов рвутся, а другие образуются. Происходят химические реакции, во время которых порядок расположения атомов меняется. Например, молекулы кислорода, содержащиеся в воздухе, при нагревании сталкиваются с атомами углерода в куске угля; объединяясь, они образуют углекислый газ (СO2). Это происходит всякий раз, когда уголь горит; при этом выделяется некоторое количество тепла, так как для образования новых связей между атомами угля и кислорода требуется меньше энергии, чем для поддержания их старых связей. Молекулы углекислого газа в свою очередь могут вступать в реакцию с молекулами воды, образуя угольную кислоту: Н2O + СO2 -> Н2СO3.
От подобных реакций и зависит жизнь, поскольку каждая клетка должна вбирать в себя атомы и молекулы из окружающей среды и преобразовывать их в необходимые для своего существования материалы, извлекая из них энергию. Например, в нашей крови всегда должна присутствовать глюкоза, потому что из этого сахара наши клетки черпают энергию; кроме того, они растут за счет получаемых из глюкозы атомов углерода, водорода и кислорода, объединяя их в сложные белки и другие макромолекулы.
Процесс, благодаря которому организм производит необходимые ему вещества, происходит внутри клеток и называется биосинтезом. Представьте, что клетка – это завод, который выпускает не машины и телевизоры, а такие же клетки. На заводе продукцию собирают на конвейере, или сборочной линии. Сборка начинается с основной части, к которой первый работник добавляет некую небольшую деталь. Следующий за ним работник добавляет другую деталь и так далее, пока вся конструкция не окажется готовой. Сложная продукция, например автомобиль, собирается в нескольких цехах, на разных сборочных линиях; на последнем этапе готовые части автомобиля собирают в единое целое.
Приблизительно так же строит себя живой организм. Совокупность всех химических изменений называется метаболизмом. Отдельная сборочная линия называется путем метаболизма, а молекулы, преобразуемые в ходе процесса, – метаболитами. На каждом пути к молекулам добавляются атомы, или они лишаются атомов, пока не получится конечный продукт. Метаболический путь может представлять собой последовательность реакций, например: 1) от атомов углерода в молекуле отделяются два атома водорода; 2) к атомам углерода добавляется молекула воды (Н – к одному атому, ОН – к другому); 3) из группы ОН удаляется атом водорода и атом кислорода оказывается связанным с атомом углерода двойной связью; 4) к другому атому углерода добавляется группа NH2. Все изменения проходят отдельными мелкими шагами (таково свойство химических реакций); в каждой функционирующей клетке содержатся сотни или даже тысячи различных метаболитов.
Все пути метаболизма нацелены в основном на синтез мономеров и других сравнительно малых молекул клетки. (Некоторые метаболические пути предназначены для разборки молекул пищевых веществ для получения энергии, которая затем используется в биосинтезе и других процессах, но мы пока не будем затрагивать эту тему.) Есть свой путь для каждой из 20 аминокислот, из которых состоят белки; для каждого сахара, из которых состоят полисахариды; для каждого липида и т.д. Все конечные продукты этих путей затем встраиваются в такие сложные структуры, как белки или клеточные мембраны.
4. Ферменты
Линию сборки на заводах обслуживают люди (хотя теперь их все чаще заменяют роботы). Кто же обслуживает пути метаболизма в организме? Каким образом происходят химические реакции, превращающие один метаболит в другой? Иногда для этого ничего дополнительного не требуется. Некоторые химические реакции происходят быстро и сами по себе, едва только необходимые вещества смешиваются между собой; для этого достаточно той энергии, с которой молекулы сталкиваются. Но организмы не могут полагаться на реакции, которые происходят сами по себе. Многие реакции просто не начнутся без дополнительной энергии, и клетки выработали механизм подачи энергии для таких реакций. Кроме того, многие реакции метаболизма происходят настолько медленно, что их обязательно нужно ускорять. Для этого и существуют ферменты. Фермент – это белок, взаимодействующий с некоторой молекулой – субстратом, заставляющий молекулу вступать в определенную химическую реакцию. Фермент может по очереди воздействовать на множество молекул, иногда до нескольких тысяч в секунду.
Каждый метаболит имеет определенную форму. Фермент, который взаимодействует с этим метаболитом, имеет углубление – активный центр; по своей форме углубление комплементарно форме метаболита, то есть соответствует ему, подобно тому как соединяются кусочки головоломки.
Дальнейшие действия зависят от природы фермента. Например, фермент А присоединяет гидроксильную группу к некоему метаболиту; фермент В разделяет этот метаболит на две части, а фермент С удаляет его аминогруппу. Каждый из этих ферментов может участвовать в различных путях метаболизма, ведь многие метаболиты преобразуются в различные конечные продукты.
Ферменты и есть те «работники», которые обслуживают линию сборки. Некоторые пути метаболизма действительно физически похожи на линию сборки, по которой молекулы переходят от одного фермента к другому. Однако многие процессы происходят только потому, что ферменты и субстраты перемешаны внутри небольшого пространства клетки.
На рис. 3.4 показана структура одного из ферментов, в котором цепь аминокислот, образующая его первичную структуру, особым образом сложена и образует активный центр. На этом участке определенные остатки аминокислот расположены так, чтобы их боковые цепи взаимодействовали с атомами субстрата и начинали нужные химические реакции. Фермент и субстрат часто сравнивают с замком и ключом, потому что они подходят друг к другу по форме, но не следует забывать и о том, что в ходе процесса их форма меняется. Ферменты – настолько прекрасные катализаторы, что могут ускорять реакции в тысячи раз, и отдельная молекула фермента может за секунду обработать несколько тысяч молекул субстрата. Важно, что клетка содержит множество молекул каждого вида метаболита, которые постоянно преобразуются в молекулы другого метаболита. Поэтому говорят, что в клетке содержится определенная концентрация того или иного вещества.