Молекулярная структура живых организмов

Ткани живой материи, и соответственно молекулы, которые их составляют, принято называть органическими (в отличие от неорганической, т.е. неживой природы). Такое разделение впервые ввел шведский химик Якоб Берцелиус (1779 – 1848). Главными органическими соединениями являются белки, липиды, углеводы и нуклеиновые кислоты.

Белки – высокомолекулярные органические соединения, образующиеся в результате полимеризации аминокислот и образования полипептидной цепочки. Полимеризация – это образование большой молекулы (полимера) в результате объединения значительного числа простых звеньев (мономеров). Аминокислоты проявляют свойства кислот и оснований. Известно около 150 аминокислот, из которых 26 (чаще всего 20) входят в состав белков. Каждый белок имеет строго заданную последовательность аминокислот.

В организмах белки выступают в качестве ферментов, строительного материала, гормонов, выполняют защитные функции. Ферменты – катализаторы химических процессов, т.е. вещества, ускоряющие ход химических реакций.

Углеводы – органические соединения, содержащие углерод, водород и кислород. Простые углеводы (сахара) называются моносахаридами. Из них строятся полимерные цепочки сложных углеводов – полисахаридов. В отличие от белков, все звенья молекулы полисахарида одинаковые. Полисахариды выполняют строительную функцию (например, целлюлоза, составляющая оболочки растительных клеток) и энергетическую функцию, которая обусловлена накоплением энергии в клетке (например, крахмал у растений и гликоген у животных).

Липиды – жиры и жироподобные вещества. Они не являются полимерами, хотя часто имеют крупные размеры молекул и служат энергетическим резервом организма (при их расщеплении до углекислого газа и воды выделяется энергия), участвуют в передаче нервного импульса, выполняют защитные функции в качестве водоотталкивающего и теплоизоляционного покрытия.

Нуклеиновые кислоты – сложные органические соединения, полимеры. Они выполняют роль хранения и передачи наследственной информации. Бывают двух типов: ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота и РНК – рибонуклеиновая кислота.

Несмотря на значительное разнообразие органических молекул, их состав преимущественно определяется небольшим числом химических элементов. Это: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Остальные химические элементы реже встречаются в живых тканях или совсем отсутствуют. Сложное строение и большие размеры органических молекул, т.е. их макромолекулярная организация, обусловлены, прежде всего, способностью атомов углерода образовывать длинные и ветвящиеся цепочки, называемые углеродным скелетом. Кроме того, водород, углерод, кислород и азот имеют валентность соответственно равную 1, 2, 3 и 4, благодаря чему они способны образовывать ковалентную связь в различных сочетаниях между собой. Этим обусловлено многообразие органических соединений в природе.

Важно подчеркнуть, что перечисленные выше элементы, образующие органические соединения, входят в состав и разнообразных неорганических веществ, поэтому отличия живой материи от неживой обусловлены не столько характером образующих ее элементов, сколько спецификой их организации. Отдельно взятые органические молекулы еще не являются «живыми», свойства живых систем реализуются, начиная с клеточного уровня, поэтому клетка считается структурной и функциональной единицей живой материи.

Клетка

Основное вещество клетки – белки. Их молекулы обычно содержат несколько сот аминокислот и состоят из главной и боковой цепей. У всех живых видов имеются свои особые белки, определяемые генетическим аппаратом. Собственно, клетка и нужна для аппарата воспроизводства, который находится в ее ядре. Без клетки генетический аппарат не мог бы существовать.

Если в клетку попадут вредные для организма бактерии и другие инородные тела, то с ними вступает в бой иммунная система – блуждающие клетки. У низших животных они играют роль пищеварительных органов, а у высших животных их значение заключается именно в защите специфического строения данного организма.

О размерах клетки свидетельствует такая аналогия. Если увеличить человека до размеров Великобритании, то одна клетка будет примерно такой же величины, как фабричное здание. Сопоставление клетки с фабрикой не случайно. Любой живой организм можно уподобить гигантской фабрике, на которой производится множество разнообразных химических продуктов. На ней производится и энергия, приводящая в движение всю фабрику. Более того, она может воспроизводить самое себя, что для обычных фабрик совершенно невозможно.

Попадающие в организм белки расщепляются на аминокислоты, которые затем используются для построения собственных белков. Нуклеиновые кислоты создают ферменты, управляющие реакциями. Например, для одного процесса брожения нужна дюжина ферментов, каждый из которых управляет одной реакцией и действует только на строго определенный вид молекул. Все ферменты – белки. Фермент похож на дирижера, который играет всегда со своим оркестром. В каждой клетке несколько тысяч «дирижеров-ферментов».