1.2. Уровни организации живых систем

Главной отличительной чертой биологических систем является очень высокий уровень их организации. По структурно–функциональным признакам принято различать три уровня организации живого вещества (рис.

- молекулярный,

- клеточный,

- многоклеточные организмы.

Рассмотрим коротко их особенности и специфику соответствующих методов исследований.

Рис. 1.1. Уровни организации живых систем

Молекулярный уровень организации живой материи

Живые организмы состоят из большого числа различных химических компонентов — органических и неорганических, низкомолекулярных и полимерных. Наиболее важным среди неорганических компонентов является вода, так как все известные жизненные процессы протекают в водных растворах. Для поддержания ионной силы и рН среды, при которых протекают процессы жизнедеятельности, необходимы определенные концентрации неорганических ионов. Большое число соединений, найденных в живых организмах, представляет собой различные комплексы. В качестве примера можно привести гем [3], – комплекс железа с плоской молекулой протопорфирина (1.1):

(1.1)

В живой природе часто встречаются регулярные полимеры. Например, целлюлоза является полисахаридом, состоящим из повторяющихся молекул b-D-глюкозы.

Сложная структурная и функциональная организация биологических систем связана с участием таких полимерных соединений, как белки и нуклеиновые кислоты. Каждый биологический полимер характеризуется определенным порядком чередования мономерных звеньев, образованных в случае белков двадцатью различными аминокислотами, а в случае нуклеиновых кислот — четырьмя различными нуклеотидами.

Большинство биологических событий на молекулярном уровне начинается со взаимодействия определенного белка со специфичным для него лигандом, которое служит сигналом для последующих изменений пространственной структуры белка, т.е.

Белковые молекулы – это полимеры, построенные из аминокислот общей формулы

, (1.2)

где R – один из 20 различных радикалов. Аминокислоты в белках соединены между собой амидными связями между амино- и карбоксильной группами, образуя первичную структуру полимерной цепи. Эти амидные связи еще называются пептидными, поэтому белки иначе называют полипептидами. Аминокислотные остатки в полимерной цепи могут чередоваться или повторяться, вообще говоря, произвольным образом. Пример структурных формул некоторых радикалов, названия соответствующих аминокислот и их сокращенное обозначение приведены в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Некоторые аминокислоты, входящие в состав белков

В табл. 1.2 в иллюстративных целях мы приводим только 5 из 20 аминокислот, входящих в состав известных белков.

Приведем пример сокращенной записи одной из самых коротких белковых цепей – гормона вазопрессина. Этот гормон производится гипофизом и регулирует давление крови, сужая капилляры:

(1.3)

Здесь две молекулы цистеина связаны между собой дисульфидным мостиком, а концевая карбоксильная группа глицина справа соединяется с амидным радикалом NH2. Дисульфидные сшивки возможны не только внутри одной цепи, но и между двумя или более разными цепями. Примером такого белка является, например, инсулин, в молекуле которого имеются две сшивки между двумя цепями – одна длиной в 21 аминокислотный остаток, другая содержит 30 остатков.

Из двадцати различных аминокислот, содержащих N аминокислотных остатков, можно построить 20N различных полипептидов. Поэтому даже для сравнительно короткого белка, содержащего всего 100 аминокислотных остатков, это число будет равно 20100 = 10130. Эта гигантская величина превышает суммарное число нуклонов во всей доступной наблюдению части Вселенной на 50 порядков. Поэтому число возможных аминокислотных последовательностей может рассматриваться как практически неограниченное, но из них только небольшая часть соответствует каким-либо функционально значимым белкам, реализуемым в живой природе.

Важнейший класс белков – это ферменты (или энзимы), которые с исключительно высокой селективностью катализируют биохимические реакции. Так, ферменты пепсин, содержащийся в желудочно-кишечном тракте, а также трипсин и химотрипсин, вырабатываемые поджелудочной железой, обеспечивают расщепление белков пищи до аминокислот, которые, собственно, и нужны клеткам для строительства “своих” белков.

Еще одна функция белков – это транспорт веществ (например внутрь клетки через клеточную мембрану, или перенос веществ между органами по кровеносной системе). Перенос кислорода по кровеносной системе осуществляет белок гемоглобин, содержащий молекулы гема. Сывороточный альбумин, также важнейший белок крови, осуществляет перенос жирных кислот и стероидных гормонов.

Белки–рецепторы образуют воспринимающие системы на поверхности клеток в синапсах – областях межнейронных контактов и участвуют в передаче сигналов внутрь клеток или наоборот наружу. Пример – белок ацетилхолин.

Гормон адреналин, вырабатываемый надпочечниками, запускает в клетках механизм окисления полисахаридов, что играет важную роль в энергетических процессах.

Из приведенных примеров должно быть ясно, какую ведущую роль играют белки в живых организмах, поэтому изучение их строения и функций является важнейшей задачей биохимии. Уже отмечалось, что на всех уровнях организации структуры белковой молекулы первостепенное значение имеет ее конформация. Это позволяет ей “узнавать” своих партнеров по биохимической реакции и обеспечивает очень высокую избирательность катализа.

Известно большое число комплексов белков с гемом и некоторыми его структурными аналогами, которые объединяются под общим названием гемопротеиды. Гемопротеидом, например, является цитохром с (рис. 1.2), образованный относительно небольшим белком, ковалентно связанным с гемом. Цитохром с осуществляет перенос электронов на кислород в важном процессе окисления органических соединений.

Принято различать четыре уровня структурной организации белковых молекул: первичная, вторичная, третичная и четвертичная структуры.

Под первичной структурой понимают число и последовательность аминокислот, соединенных пептидными связями. Для всякого белка характерна еще и определенная вторичная структура – это так называемая a-спираль, стабилизируемая множеством водородных связей.

Рис. 1.2. Пространственное строение цитохрома с лошади, установленное методом рентгеноструктурного анализа. В центре молекулы расрасположена упомянутая выше группа гема.

У большинства белков полипептидные цепи свернуты особым образом в компактную глобулу. Способ свертывания полипептидных цепей глобулярных белков называется третичной структурой.

Многие белки с особо сложным строением состоят из нескольких полипептидных цепей, удерживаемых в молекуле вместе за счет гидрофобных взаимодействий, а также при помощи водородных и ионных связей. Способ совместной упаковки и укладки этих цепей называют четвертичной структурой белка. Такая структура имеется, например, у гемоглобина: его молекула состоит из четырех отдельных полипептидных цепей двух разных типов.

Нуклеиновые кислоты являются линейными (неразветвленными) полимерами, состоящими из другого типа мономеров — нуклеотидов. Имеется два класса нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК). И ДНК, и РНК построены из четырех различных типов нуклеотидов. Различные нуклеиновые кислоты отличаются числом мономерных компонентов, количеством каждого из четырех нуклеотидов и их последовательностью.

Молекулы ДНК в клетке являются первичным носителем наследственной информации у всех живых организмов.

Полимерные цепи ДНК в живых организмах значительно длиннее полипептидных цепей белковых молекул. Даже ДНК микроорганизмов содержат многие миллионы нуклеотидов. Поэтому мыслимое число различных молекул ДНК значительно больше, чем для белков.

В ДНК сосредоточена информация, необходимая для синтеза всего набора белков, присущего данному организму. Аминокислотная последовательность в ДНК записана с помощью специального кода, причем кодирующим элементом для каждой определенной аминокислоты является тридезоксирибонуклеотидный фрагмент. Общее число таких кодирующих элементов составляет 43 = 64, что превышает число аминокислот, участвующих в синтезе белков (20). Таким образом, некоторые аминокислоты имеют несколько кодирующих элементов. Соответствие между аминокислотами и кодирующими их тринуклеотидами называют генетическим кодом.

Очень важное значение имеют изменения, которые могут происходить в структуре ДНК вследствие некоторых природных воздействий или в результате ошибок репликации. Эти изменения могут приводить к различным биологически значимым последствиям. Такие унаследованные изменения в структуре ДНК называются мутациями. Мутации могут вызвать значительные изменения пространственной структуры кодируемого белка и его способности к узнаванию соответствующих партнеров. Обычно такие повреждения или не имеют существенных биологических последствий, или приводят к потере способности организма воспроизводить потомство. Однако изредка изменение структуры может дать потомству определенные преимущества и закрепиться в популяции.

Таким образом, белки и нуклеиновые кислоты представляют собой органические соединения высокого уровня организации, их появление на Земле было предпосылкой образования первых живых организмов. Поэтому их можно рассматривать как молекулярную основу организации жизни.

Для исследования биологических полимеров и их взаимодействий применяется большое количество методов – как традиционных методов аналитической и физической химии, так и специально разработанных (рис. 1.3). Здесь представлены только наиболее известные методы.

Общими для этих методов являются проблемы, которые определяют специфику исследования биологических объектов:

- поскольку биомасса, поступающая на исследование, состоит из тысяч различных соединений, необходимо их предварительное разделение, что исключительно сложно, так как многие компоненты смесей хотя и выполняют различные функции в организме, но построены весьма однотипно;

- обычно на анализ поступают очень малые количества вещества (микрограммы и менее), поэтому методами детектирования чаще всего являются спектрофотометрические, радиохимические и флуоресцентные;

- компоненты анализируемых образцов неустойчивы. Часто бывает необходимо выделить биологический полимер в нативном, т.е. сохраняющем биологическую активность, состоянии. Многие белки и нуклеиновые кислоты даже при небольших изменениях температуры или рН среды подвержены необратимому изменению конформации – денатурации, которая сопровождается потерей биологической активности. Поэтому необходимо применять специальные меры для проведения исследований в “мягких” условиях.

Обычно исследование биологических полимеров начинают с выделения нужного компонента из смеси и его очистки от примесей, поэтому коротко рассмотрим группу методов разделения и очистки.

Биологические полимеры из водных растворов выделяют, используя разницу в их растворимости в зависимости от концентрации осадителя. Для осаждения белков к их растворам добавляют ацетон, нуклеиновые кислоты осаждают этанолом, сильными кислотами, солями многозарядных ионов (лантанидов), сульфатом аммония.

При изменении рН среды, когда достигается изоэлектрическая точка данного белка, он может выпасть в осадок, это так называемое изоэлектрическое осаждение.

		Методы исследования молекулярного уровня строения живого вещества

Рис. 1.3. Методы исследования биополимеров

Широко применяется центрифугирование (ускорение до 105 g), экстракция, различные варианты сорбции, заряженные белковые молекулы эффективно разделяются на ионообменных смолах.

Для разделения смесей, основанного на разнице в размерах молекул и их гидрофильности, применяют молекулярные сита (специальные полимерные пористые мембраны с заданным диаметром пор), диализ на мембранах, ультрафильтрацию.

Очень эффективными являются зональные методы разделения, в которых создается подвижная система, содержащая анализируемую смесь и неподвижный сорбент. При этом компоненты смеси перемещаются по поверхности сорбента с разными скоростями, образуя зоны, что и позволяет их пространственно разделить.

Аффинные (от англ. affinity – сродство) методы разделения используют специфичное сродство биологического полимера к определенному партнеру. Применение аффинных сорбентов в хроматографии позволяет резко повысить селективность разделения по конкретному биополимеру.

Для количественного определения содержания полимера в полученной на этапе разделения фракции применяется спектрофотометрия (чувствительность до 10-8 моль), радиохимические методы детектирования, основанные на измерении активности образцов, меченных радиоактивными изотопами, таким как 3H, 14C, 32P, 33P, 35S. Биогенные изотопы 13N, 15O, 11C особенно перспективны в позитронной томографии, правда, их период полураспада измеряется минутами, поэтому необходимы громоздкие и дорогие установки (циклотроны) для непрерывного воспроизводства необходимых количеств этих изотопов. Чувствительность радиохимических методов обнаружения порядка 10-15 – 10-17 моль (10-13 г), что оправдывает их применение.

Люминесцентные методы детектирования, основанные на измерении послесвечения образца после предварительной накачки от внешнего источника света, обеспечивают чувствительность до 10-10 моль.

Очень мощным методом биохимического анализа является иммуноанализ, основанный на исследовании комплексов антител с антигенами. Антитела — это белки, вырабатываемые высшими живыми организмами в ответ на введение чужеродных веществ. Антитела обладают способностью избирательно взаимодействовать именно с этими, вызвавшими иммунный ответ веществами и могут поэтому использоваться для их определения в сложных смесях. Метод находит применение в фундаментальной биохимии, биотехнологии, медицинской практике. Присутствие антител к определенным вирусам или микроорганизмам и их количество являются важным критерием наличия или, наоборот, отсутствия у организма иммунитета к соответствующим заболеваниям. Иммуноанализ нашел широкое применение для определения содержания различных гормонов, что имеет огромное значение для оценки состояния эндокринной системы человека.

Перечислим еще некоторые важнейшие специфические методы, применяемые в биохимии: молекулярная гибридизация и амплификация нуклеиновых кислот, генная инженерия, молекулярная селекция. Для определения первичной структуры белков и нуклеиновых кислот, т.е. выявления, в каком порядке мономеры располагаются вдоль полипептидной цепи, применяется секвенирование (от англ. sequence - последовательность).

Исключительная важность исследования пространственной конформации биологических молекул выделяет рентгеноструктурный анализ, как единственный метод, который позволяет определять координаты большинства атомов молекулы.

Для биологических молекул, имеющих вытянутую форму с пространственной периодичностью (нуклеиновые кислоты, ДНК) методами рентгеноструктурного анализа удалось определить их пространственную структуру (рис. 1.4). Установлена детальная пространственная структура сотен белков (пример цитохрома с на рис. 1.2.), некоторых тРНК. Для эффективного применения метода требуется выращивать монокристаллы биологического полимера, имеющие макроскопические размеры и высокую степень очистки, что представляет серьезную проблему.

Структуру молекул в нативном состоянии, когда образец находится в не кристаллическом состоянии, наиболее часто исследуют с помощью двумерной ЯМР спектроскопии (ядерный магнитный резонанс), правда, с меньшей подробностью, чем это достигается при рентгеноструктурном анализе.

Как известно, в ходе биохимических реакций, в результате повреждающего действия ионизирующих излучений на биологические объекты, в фотохимических системах, возникают свободные радикалы, которые являются парамагнитными частицами наряду с распространенными в живых организмах ионами парамагнитных металлов (Fe, Co, Ni, Cu, Mn). Метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) позволяет наблюдать кинетику химических реакций с участием таких частиц. Таким образом, метод позволяет исследовать биологические процессы в их временном развитии.

Наряду с экспериментальными методами или в сочетании с ними для изучения пространственной структуры биологических молекул используются также расчетные: методы молекулярной механики и молекулярной динамики, позволяющие на основе математического моделирования многомерных поверхностей потенциальной энергии, зависящих от ядерных координат молекулы, определять ее наиболее вероятные конформации.

Биологическая химия разрабатывает новые методы, основанные на применении биологических полимеров как инструмента исследования. Так, ферменты позволяют с очень высокой избирательностью провести анализ сложных смесей, химические реакции в мягких условиях, избегая побочных реакций и побочных продуктов. Исследуется возможность использования сложных биохимических структур в качестве биосенсоров для аналитических целей и в перспективе для разработки принципиально новой базы для электроники.