Что такое жизнь? Понять биологию за пять простых шагов

Но как происходят все эти многочисленные и разнообразные химические реакции, формирующие метаболизм? Что за вещество в дрожжах Пастера производило химическую реакцию брожения? Следующий шаг в разгадке тайны сделал углубившийся в проблему другой французский химик, Марселен Бертло. Он растер дрожжевые клетки и из клеточных остатков выделил химическое вещество с интригующим действием. Оно запускало особую химическую реакцию: преобразование столового сахара, сахарозы, в два меньших компонента сахара – глюкозу и фруктозу, но само в реакции не расходовалось. Данное вещество было неодушевленной, но составной частью жизненного процесса и, что примечательно, продолжало действовать после выведения из клетки. Бертло назвал новое вещество инвертазой.

Инвертаза – фермент. Ферменты служат катализаторами: это означает, что они способствуют протеканию химических реакций и ускоряют их, порой драматическим образом. Для жизни они насущно необходимы. Без них многих важнейших для жизни процессов просто не произойдет, особенно при сравнительно низких температурах и в мягких условиях, характерных для большинства клеток. Открытие ферментов заложило основы общепринятого сегодня мнения, разделяемого всеми биологами, что большинство жизненных явлений лучше всего объясняются химическими реакциями, катализаторами которых служат ферменты. Чтобы разобраться, каким образом у ферментов это выходит, нам нужно понять, что они собой представляют и из чего состоят.

Большинство ферментов состоят из белков, которые синтезируются клеткой в виде длинных, цепочкообразных молекул, называемых полимерами. Полимерные структуры имеют основополагающее значение для каждого аспекта химии жизни. Большинство ферментов, все остальные белки, все липидные молекулы, составляющие клеточные мембраны, все жиры и углеводы, хранящие энергию, и нуклеиновые кислоты, отвечающие за наследственность, дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и тесно связанная с ней рибонуклеиновая кислота (РНК) – полимеры.

Эти полимеры содержат в своей структуре преимущественно атомы всего пяти химических элементов: углерода, водорода, кислорода, азота и фосфора. Из этой пятерки особая роль принадлежит углероду в силу его большей универсальности. Если атомы водорода вступают только в одно соединение, то есть химическую связь с другими атомами, каждый атом углерода может соединяться с четырьмя другими атомами. В этом ключ к возможностям создания полимеров из углерода: две из четырех потенциальных связей углерода могут образовывать связь с двумя другими атомами, часто другими атомами углерода, создавая цепочку связанных атомов – ядро каждого полимера. Это оставляет две другие связи углерода доступными для соединения с другими атомами. После чего две дополнительные связи могут использоваться для присоединения других молекул по бокам от главной полимерной цепи.

Многие из встречающихся в клетках полимеров представляют собой очень большие молекулы, на практике столь большие, что им дается специальное название: «макромолекулы». Чтобы получить представление о том, сколь велики могут быть такие молекулы, вспомним, что макромолекулы ДНК в каждой вашей хромосоме могут достигать в длину нескольких сантиметров. Это означает, что они соединяют миллионы атомов углерода в одну невероятно длинную и невероятно тонкую молекулярную нить.

Белковые полимеры не столь длинны, обычно они состоят из атомов углерода числом от нескольких сотен до нескольких тысяч. Но они химически более разнообразны, чем ДНК, и по этой причине могут действовать как ферменты и, соответственно, играть главенствующую роль в метаболизме. Каждый белок – основанный на углероде полимер, построенный путем последовательного соединения меньших молекул аминокислот в длинную цепочку. Инвертаза, например, – это белковая молекула, состоящая из 512 аминокислот, выстроенных в особой упорядоченной последовательности.

Белки живой природы образуются из двадцати различных аминокислот. Каждая из них имеет боковые молекулы, ответвляющиеся от главной полимерной цепи, что наделяет их специфичными химическими свойствами. Например, некоторые аминокислоты имеют положительный или отрицательный заряд, другие притягиваются или отталкиваются водой, а некоторые могут легко образовывать связи с другими молекулами. Составляя разные комбинации аминокислот, каждая из которых имеет разные боковые молекулы, клетки могут создавать широкое разнообразие белковых полимерных молекул.