Правильный путь

Другими, не менее важными и не менее сложными веществами, входящими в состав всех живых существ, являются дезоксирибонуклеиновые кислоты, сокращенно ДНК.

Молекулы этих веществ, также как и молекулы белков, существуют в виде огромных, сложных, строго упорядоченных конструкций. Составными элементами этих молекул являются нуклеотиды – вещества, состоящие из азотистого основания, углевода (дезоксирибозы) и фосфорной кислоты. Существует 4 вида нуклеотидов. Углевод и фосфорная кислота у всех 4 видов одинаковы. Отличаются нуклеотиды друг от друга только азотистыми основаниями, в соответствии с которыми им и даны названия. Нуклеотид с азотистым основанием аденин сокращенно называют А-нуклеотидом, с гуанином – Г, с тимином – Т, с цитозином – Ц.

Любая молекула ДНК состоит из огромного количества молекул нуклеотидов всех четырех видов, соединенных между собой в строго определенной последовательности. И представляет каждая из них собой огромную сложноустроенную молекулу, имеющую вид двух спирально закрученных, сплетенных друг с другом «в косичку» длинных нитей.

То есть, макромолекула ДНК имеет форму двойной спирали и состоит из двух связанных друг с другом нитей, каждая из которых является по сути длинной цепью из соединенных между собой в строго определенном порядке нуклеотидов. При этом у каждого живого существа в молекуле ДНК заложено свое количество и своя последовательность этих элементов.

Нуклеотиды в каждой нити соединены между собой прочной ковалентной связью, через углевод одного и фосфорную кислоту соседнего нуклеотида. Сами нити в свою очередь тоже связаны между собой. Существует эта связь благодаря тому, что в каждой молекуле ДНК азотистые основания нуклеотидов одной ее нити пристыкованны к азотистым основаниям нуклеотидов другой ее нити.

Азотистые основания противоположных нитей скрепляются между собой водородными связями. При этом осуществляется их соединение всегда с соблюдением одного строгого правила, которое, к слову, как и любое другое правило, существующее в природе, естественно не могло взяться само по себе и соблюдаться самопроизвольно на протяжении миллиардов лет, с момента появления первых живых организмов.

Данное правило называется принципом комплементарности. Заключается оно в том, что аденин одной цепи соединяется только с тимином в противоположной цепи, а гуанин соединяется только с цитозином из противоположной цепи.

При таком сочетании нуклеотидов в двойной спирали обеспечивается одинаковое по всей длине расстояние между нитями, а также образование между ними, а точнее между их основаниями, лежащими друг напротив друга, максимального числа водородных связей, что необходимо для обеспечения прочного соединения нитей ДНК, и сохранения при этом особых свойств молекулы ДНК в целом.

Главным из свойств, присущих молекуле ДНК, и имеющим большое значение для живых существ является ее способность к удвоению. Это главная характерная особенность, этой молекулы, которая заключается в том, что одна такая молекула способна превратиться в две молекулы, при этом каждая из вновь образованных молекул будет точной копией первоначальной.

В основе данной особенности находится то, что водородные связи, скрепляющие две спирально закрученные нити ДНК, не ковалентны и поэтому при определенных условиях легко разрываются и восстанавливаются. То есть, цепочки нуклеотидов при определенных условиях способны раскручиваться и отделяться друг от друга.

Разделение происходит при воздействии определенных белков-ферментов. При взаимодействии с этим белками двойная спираль ДНК, благодаря своим характерным особенностям, не распадается на составные части, а начинает раскручиваться с одного конца. К каждой из двух, отделяющихся друг от друга, нитей в процессе удвоения достраивается из находящихся в окружении свободных нуклеотидов новая нить, идентичная первоначальной. Происходит это также по принципу комплементарности, то есть к аденину в исходной цепочке пристыковывается тимин, к цитозину – гуанин, к тимину – аденин, и к гуанину – цитозин. И так по всей длине, в независимости от того какой длины была первоначальная цепочка нуклеотидов.

Цепочки нуклеотидов, достроенные к каждой из нитей, являются полными копиями, тех нитей с которыми были переплетены первоначальные нити в молекуле ДНК. В результате этого и возникает удвоение, и на месте одной возникают две молекулы ДНК.

Длина молекулы ДНК может достигать сотен тысяч нанометров. То есть, длина подобной молекулы в несколько тысяч раз больше самых больших белковых молекул в развернутом виде. В связи с этим, молекула ДНК, чтобы она могла уместиться в клетку, также как и молекулы белков была скручена определенным образом. То есть, две цепочки нуклеотидов, переплетенные между собой «в косичку», теперь уже вместе, свернуты винтообразно. В таком суперскрученном состоянии обычно и находятся данные молекулы в клетках.

Еще одним важнейшим свойством ДНК является взаимосвязь с молекулами белков организма, которому она принадлежит. Заключается эта взаимосвязь в том, что в ДНК закодирована информация о структуре белков, из которых состоят все составные элементы живого организма. То есть, обо всех белках организма, которому она принадлежит. Данная информация закодирована посредством молекулярной системы кодирования. Суть данной системы кодирования заключается в следующем: молекула ДНК представляет собой цепь из последовательно расположенных нуклеотидов, а белок – это цепь из последовательно расположенных аминокислот. Определенным сочетаниям последовательно расположенных нуклеотидов в молекуле ДНК соответствуют определенные аминокислоты в молекулах белка. Причем каждой аминокислоте в молекуле белка соответствует сочетание из трех нуклеотидов в цепи ДНК.

Участок молекулы ДНК, содержащий информацию о том, в какой последовательности расположены аминокислоты в одном белке, называется ген. В организмах даже самых маленьких вирусов и бактерий присутствует от нескольких сотен до нескольких тысяч разных видов белков. Соответственно генов, в молекулах их ДНК также достигает нескольких тысяч.

Всё это говорит о том, что в отношении ДНК, как и в отношении белков имеется большое разнообразие, а также глубокая продуманность в строении и в функционировании их структурных элементов.

Еще одним видом веществ, находящимся в составе живых существ, являются рибонуклеиновые кислоты (РНК). Структура молекул РНК идентична структуре ДНК, они также представляют собой цепочки, состоящие из большого числа нуклеотидов 4 видов, расставленных в строго определенных последовательностях, но в отличие от ДНК они одноцепочные. Кроме того, углевод в РНК не дезоксирибоза, а рибоза и вместо азотистого основания тимина в ней находится другое, близкое по строению основание, называемое урацил.

Среди РНК имеются рибосомные-РНК, матричные-РНК и транспортные-РНК. Рибосомные-РНК – это молекулы РНК, которые входят в структуру рибосом – молекулярных устройств, осуществляющих производство белка. Матричные-РНК – это молекулы РНК, которые являются копией того или иного участка ДНК. Они необходимы для передачи информации, закодированной в ДНК, рибосомам. Транспортные-РНК – это небольшие молекулы РНК, состоящие примерно из 80 нуклеотидов, и выполняющие функцию присоединения аминокислот и транспортировки их к рибосомам, в которых происходит синтез белков. Транспортные-РНК для осуществления этих функций имеют особую структуру. Особенность этой структуры в том, что на ее верхнем дугообразном участке находится тройка нуклеотидов, соответствующая определенной аминокислоте. Каждый вид транспортной-РНК, благодаря такому строению, способен транспортировать и помещать в рибосомы только определенный вид аминокислоты. Например, аминокислоту аргинин транспортирует только аргининовая транспортная-РНК, аминокислоту глицин – только глициновая транспортная-РНК и так далее.

То есть, РНК – это вещество, которое в клетках представлено в форме нескольких различных типов, каждый из которых имеет свои особенности строения и выполняет свои строго установленные функции. При том, что в целом основным назначением молекул РНК всех типов является обеспечение связи между ДНК и белками.

Помимо белков и нуклеиновых кислот, к веществам, которые присутствуют в живых организмах, относятся также углеводы. Углеводы – это вещества, молекулы которых также представляют собой сложные соединения, образованные путем объединения атомов углерода, кислорода и водорода. Самыми простыми из углеводов являются моносахариды – бесцветные растворимые в воде вещества. Самые распространенные из них – это глюкоза, фруктоза, рибоза и дезоксирибоза. Простые углеводы имеют особое строение, благодаря которому они могут быть объединены в сложные углеводы, называемые полисахариды.

Молекулы сложных углеводов, полисахаридов, представляют собой длинные линейные или разветвленные цепочки простых углеводов, соединенных гликозидной связью. Свойства высокомолекулярных сложных углеводов значительно отличаются от свойств простых углеводов из которых они состоят.

В клетке, богатые энергией, сложные углеводы подвергаются глубокому расщеплению. В ходе этого процесса высвобождается энергия, используемая для осуществления клетками живых организмов различных форм активности.

Простые углеводы, такие как рибоза и дезоксирибоза, присутствуют также и в конструкции других сложных молекул, а именно нуклеиновых кислот, играющих главнейшую роль в сохранении и передаче информации в живых организмах.

К числу наиболее важных веществ, из имеющихся в живых существах, относится также аденозинтрифосфорная кислота или сокращенно АТФ. Данное вещество является нуклеотидом, в состав которого включены азотистое основание аденин, углевод рибоза и 3 остатка фосфорной кислоты. АТФ – это очень неустойчивая конструкция. В живых организмах она является одним из самых часто обновляемых веществ.

Особенность АТФ заключается в том, что при гидролизе связей ее элементов освобождается существенное количество энергии. Так при отщеплении одного моля фосфорной кислоты освобождается почти 40 кДж.

При этом отщепление одной молекулы фосфорной кислоты, приводит к тому, что АТФ преобразуется в АДФ аденозиндифосфорную кислоту, если две – то в аденозинмонофосфорную кислоту.

Освободившаяся энергия используется в клетках во всех процессах, протекающих с затратами энергии. Соответственно, АТФ является универсальным источником энергии для всех биохимических процессов, происходящих в живом организме.

Еще одним из важнейших веществ является вода. Вода в количественном соотношении стоит на первом месте среди всех веществ, существующих в структуре всех живых организмов. Она составляет почти 80% массы любой клетки. Именно она определяет такие физические свойства, как объем и упругость клетки. Кроме того, вода включена в процесс формирования и стабилизации структур сложных веществ живого организма, в частности структуры белков. Также вода обладает свойствами растворителя: многие вещества поступают в клетку из внешней среды в водном растворе и так же при помощи воды отработанные продукты выводятся из нее. Помимо этого, вода является непосредственным участником многих химических реакций. Это вещество распространено как в живой, так и в неживой материи, и имеет относительно простое строение своих молекул, но значимость ее ничуть не меньше всех остальных молекул живых организмов.

Таким образом, все живые существа состоят из строго определенных веществ, все разновидности молекул которых представляют собой своего рода конструкторы, состоящие из огромного количества деталей, каждая из которых также имеет свое особое строение и необходима для выполнения определенных функций. То есть, если на уровне атомов живые существа состоят из тех же элементов, что и объекты неживой природы, то уже на следующем молекулярном уровне они состоят из уникальных объектов, со своеобразной структурой, встречающейся только в них.

Забегая вперед, в отношении органических веществ также следует сказать и то, что молекулы данных веществ, состоящие из множества различных элементов и при этом объединенные в различные, взаимосвязанные между собой и выполняющие определенные задачи, особые устройства, на следующем еще более высоком уровне входят в состав еще более сложных и упорядоченных объектов. При этом сами эти объекты входят в состав еще более сложных структур, а те в свою очередь, находятся в составе систем еще более высокого уровня и так далее вплоть до структур организмов в целом.

§ Особенности живых существ.

Следующим сегментом темы живых существ, способной значительно расширить представления об этих объектах, является вопрос о том, какими отличительными особенностями они наделены. Какие разновидности их бывают и какие характерные черты свойственны как каждой из них в отдельности, так и всем им вместе взятым.

Прокариоты.

Все живые существа делятся на несколько основных категорий или другими словами образцов. Представители каждого из них отличаются от представителей всех остальных образцов принципами своего внутреннего устройства и функционирования.

На сегодняшний день на Земле существует 4 основных образца живых существ и одним из наиболее простых из них являются прокариоты. К числу прокариот относятся две большие группы – бактерии и археи. Данные существа представляют собой объекты микроскопических размеров. Внешне они имеют вид шариков, прямых, изогнутых или спиралевидных палочек, а также многие другие формы длиной от 1 тысячной до 1 сотой миллиметра. Некоторые археи имеют необычную прямоугольную или квадратную формы.

В данное время существует огромное количество подобных объектов разнообразных видов. Несмотря на свои микроскопические размеры, все они имеют множество разнообразных особенностей, обусловленных наличием в них невероятных по уникальности и сложности своей конструкции устройств и способностей.

Одной из главных их особенностей является умение осуществлять разнообразные химические реакции. Эта способность имеет для них жизненноважное значение, так как обеспечивает осуществление почти всех, идущих в них, процессов. Например, такой процесс как питание, который представляет собой усвоение веществ, необходимых для восполнения запаса энергии, реализации процессов роста и поддержания нормального течения многих других процессов, обусловлен именно этой способностью.

Способность осуществлять химические реакции имеется у прокариот благодаря тому, что в составе их организмов, в качестве составных элементов, присутствуют сконструированные особым образом белковые молекулы, выполняющие роль катализаторов, то есть элементы способные ускорять те или иные химические реакции, но не расходующиеся в процессе реакции. Называются такие белковые конструкции ферментами.

Ферменты ускоряют реакции, идущие в клетках, в десятки и сотни миллионов раз. Например, период полуреакции декарбоксилирования оротовой кислоты составляет 78 миллионов лет, в клетке с участием нужного фермента это происходит за, невероятные, 18 миллисекунд.

Скорость любой химической реакции зависит от свойств реагирующих веществ, от их концентрации, а также от температуры, при которой идет реакция. По идее реакции в живом организме должны были бы протекать очень медленно. Так как химическая активность веществ в нем невелика, концентрация их большей частью незначительная и температура клеточной среды невысока. Но благодаря ферментам реакции в живых организмах идут с большими скоростями.

Также для ферментов характерна высокая специфичность действия. Каждый из них был наделен свойствами конкретного катализатора, в связи с чем отвечает, как правило, только за одну реакцию. Например, фермент лактаза гидролизует только лактозу, и не действует даже на родственные углеводы. То есть, каждый фермент выполняет строго определенную функцию, которую не может выполнить за него другой фермент. Осуществляется это благодаря тому, что геометрическая структура каждого белка-фермента имеет активный центр, который совпадает со структурой субстрата – молекулы вещества, с которым он должен вступать во взаимодействие. То есть, молекула белка-фермента и молекула вещества, которого он катализирует, имеют такую конструкцию, что подходят друг к другу, как ключ к замку.

Кроме того, благодаря тому, что ферменты в прокариотах имеют высокую каталитическую активность, небольшое количество фермента обеспечивает преобразование большого количества вещества, на которое он воздействует, сам оставаясь при этом в свободном состоянии. Например, одна единица такого фермента, как химозин может свернуть 12 миллионов единиц молока.

Каждый фермент в прокариотах по сути представляет собой высокотехнологичное устройство, специализированное под выполнение определенных задач. И в силу того, что в составе представителей любого вида прокариот находятся сотни различных белков-ферментов, в них может осуществляться огромное количество различных реакций, большая часть из которых может идти одновременно.

Большое количество ферментов в этих микроскопических организмах, для их правильной работы распределены в них строго упорядоченным образом. Одни из них функционируют только внутри клетки, они катализируют реакции энергетического обмена и способствуют синтезу определенных веществ в ней, другие – выделяются в окружающую среду для расщепления сложных веществ на простые, что играет немаловажную роль, например, в том же питании.

Следующей необыкновенной особенностью, свойственной прокариотам, является способность к передвижению в жидкой среде или по твердой поверхности. Данной особенностью были наделены многие виды бактерий. Перемещения таких организмов осуществляются благодаря специальному устройству для передвижений, называемое жгутик.

Жгутик бактерий представляет собой сложное устройство, в конструкцию которого входит более 50 составных частей, состоящих в общей сложности из примерно 240 различных белков и выполняющих строго определенные функции.

Одной из составных частей жгутика бактерий является филамент. Филаментом называется длинная хлыстообразная нить, торчащая из клетки наподобие хвоста. Толщина филамента составляет 10-20 миллионных долей миллиметра, длина примерно от 3 до 15 мкм. Состоит он из молекул белка флагеллина, которые уложены по спирали особым образом. Внутри также предусмотрен центральный полый канал, который используется при росте жгутика.

Передвижение бактерии происходит в следствие волнообразных движений филамента. При этом сам филамент приводится в движение особым молекулярным двигателем, также являющимся составной частью жгутика.