Физиологическое значение белков, нуклеиновых кислот и некоторых процессов обмена веществ

Химические превращения, происходящие в различных органах, тканях и клетках одного и того же организма и разных видов живых существ, неодинаковы. Неодинаково и их физиологическое значение. Клеткам разных тканей и органов и клеткам разных видов живых организмов свойственны как общие для них всех, так и присущие только некоторым из них синтетические процессы — образование определенных химических соединений, имеющих значение в жизнедеятельности клетки и целостного организма.

Эволюция видов и индивидуальное развитие организмов проявляются не только в морфологических, но и в биохимических изменениях (биохимическая эволюция), лежащих в основе фило- и онтогенеза функций. Определенная направленность процессов обмена веществ характеризует процессы формообразования, т. е. рост и развитие организма, дифференциацию его клеток. Различия в молекулярных и внутримолекулярных физико-химических процессах, происходящих в микроструктурах ядра и протоплазмы клеток, в их органеллах, неразрывно связаны Ь особенностями их жизнедеятельности, с их функциями.

Наибольшее биологическое значение в жизни клеток — в их обмене веществ — имеют белки и нуклеиновые кислоты. С этими веществами связаны все основные проявления жизни.

В последние годы изучение нуклеиновых кислот, входящих в состав ядра и протоплазмы клеток, привело к открытиям выдающегося научного значения: установлена роль этих химических соединений в синтезе белков организма и передаче наследственных свойств.

Нуклеиновые кислоты ядра — дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) — и протоплазмы клетки — рибонуклеиновая кислота (РНК) — представляют собой сложнейшие макромолекулы клетки. Они состоят из большого числа мононуклеотидов и являются полимерами — полинуклеотидами. Число мононуклеотидов в молекуле ДНК не менее 10 000. Остов молекулы мононуклеотида построен из чередующихся остатков фосфорной кислоты и пятиуглеродного сахара (дезоксирибозы — в молекуле ДНК и рибозы — в молекуле РНК). К углеводным остаткам присоединены образующие боковые цепочки азотистые основания: аденин, гуанин, цитозин и тимин (в молекуле ДНК) или аденин, гуанин, цитозин и урацил (в молекуле РНК). Различные комбинации этих четырех оснований в мононуклеотиде приводят к огромному разнообразию структуры полинуклеотидов. Как показали рентгеноструктурные исследования (исследования диффракции рентгеновых лучей) Крика и Уотсона, молекулы ДНК представляют собой две вытянутые цепочки, обвивающие друг друга и образующие таким образом двойную спираль. Структура ДНК специфична для данного вида живых организмов.

Строение молекулы ДНК определяет структуру РНК; структура же этого соединения определяет строение молекул белка, синтезируемого в протоплазме клеток, т. е. последовательность входящих в состав белка аминокислот. Роль ДНК сравнивают с ролью архитектора, создающего проект постройки, а роль РНК—с работой инженера-строителя, строящего сооружение из отдельных кирпичей.

ДНК подавляющим числом биологов рассматривается как носитель генетической информации, как вещество, структура которого определяет наследственные свойства организма. Последние закодированы в последовательности расположения оснований в молекуле ДНК, что и обусловливает наследственно закрепленные особенности синтеза белков и ферментов в клетках органов развивающегося зародыша.

Эти исследования приближают время, когда появится возможность, как об этом мечтали К. А. Тимирязев и другие выдающиеся биологи, «лепить органические формы». Уже сейчас удалось превращать один штамм бактерий в другой, т. е. одну их разновидность в другую, перенося ДНК одного из них другому.

Белки, или протеины, представляют собой сложнейшие химические соединения — полимеры, образованные разными сочетаниями 20 различных аминокислот. Биосинтез белков происходит при непосредственном направляющем участии нуклеиновых кислот, которые играют роль как бы шаблона, матрицы, служащей «каркасом» для «сборки» белковой молекулы из отдельных аминокислот. Генетически обусловленные различные сочетания структурных компонентов нуклеиновых кислот определяют синтез в клетках бесконечно разнообразных по своему молекулярному строению белков, образуемых различными организмами и разными их органами и тканями.

Белки животных разных видов и разных индивидуумов, относящихся к одному и тому же виду, а также разных органов и тканей одного и того же индивидуума различаются. Поэтому говорят о видовой, индивидуальной, органной и тканевой специфичности клеточных белков. С видовой специфичностью белков связано то, что введение в кровь животному одного вида белков животного другого вида оказывается небезразличным для организма и вызывает различные реакции (образование иммунных тел, анафилактические реакции и т.п.). Введение натуральных, т. е. не подвергнутых специальной обработке, чужеродных белков нередко вызывает тяжелые нарушения состояния организма, которые могут привести его к гибели. Поэтому недопустимо переливание крови или ее плазмы от животного человеку. В связи с биологической несовместимостью белков животных разных видов оканчиваются неудачей пересадки их органов. При таких операциях — гетеротрансплантациях — пересаженный орган не приживается и через короткое время отмирает. Индивидуальная специфичность белков разных организмов одного и того же вида менее выражена. Однако именно с индивидуальной специфичностью белков связана неудача пересадок органов одного животного другому, относящемуся к тому же самому виду. Такие операции — гомотрансплантации — также обычно заканчиваются рассасыванием или гибелью трансплантата, т. е. пересаженного органа.

Органная и тканевая специфичность белков находит выражение в различиях белков разных органов и тканей. Так, в высокодифференцированных клетках организма, приспособленных к выполнению определенных функций, образуются белки, которые характерны, специфичны именно для данной клетки. Таковы белки, входящие в состав специализированных клеточных структур. Например, в миофибриллах, тонких волоконцах внутри мышечных клеток, содержатся обладающие определенными ферментативными свойствами белки — миозин и актин, благодаря изменению которых осуществляется процесс мышечного сокращения (поэтому их называют сократительными белками). В клетках соединительной ткани содержатся белки — коллагены, составляющие белковую основу волокон, образуемых соединительнотканными клетками. Коллагеновые волокна отличаются гибкостью, прочностью на разрыв, высоким модулем упругости. С этими их свойствами связаны опорные и механические функции клеток соединительной ткани (рыхлой и волокнистой, хрящевой и костной).

Значение многих белков в организме обусловлено их ферментативными свойствами, их способностью катализировать определенные процессы расщепления и синтеза различных органических соединений.

Для процессов обмена белков в клетках организма характерно постоянно происходящее самообновление их, состоящее в расщеплении и ре-синтезе клеточных белков.

Синтез белков протоплазмы и клеточных структур относят к числу пластических процессов, связанных с построением клеток и внутриклеточных образований. Пластические Процессы отличают от энергетических, главное значение которых состоит в доставке клеткам энергии, необходимой для их жизнедеятельности. Среди энергетических процессов особое место занимает обмен некоторых веществ, являющихся при их расщеплении основными поставщиками энергии, используемой при деятельности клеток, например при мышечном сокращении, при многих синтетических процессах. К числу таких веществ относятся макроэргические соединения, одним из представителей которых является аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). Отщепление от АТФ двух остатков фосфорной кислоты связано с освобождением большого количества энергии (отщепление одного остатка фосфорной кислоты приводит к освобождению около 10 000 калорий на 1 грамм-молекулу вещества).

В разных клетках происходит множество специфичных лишь для них химических превращений. Так, некоторые химические соединения образуются лишь в определенных клетках или внутриклеточных структурах. Их образование и выделение клеткой во внешнюю или внутреннюю среду составляют основную функцию данной клетки. Например, образование и выделение соляной кислоты свойственны лишь обкладочным клеткам желудочных желез; образование фермента трипсиногена происходит лишь во внешнесекреторных клетках поджелудочной железы. Синтез инсулина, имеющего важное значение в углеводном обмене организма, происходит также в клетках поджелудочной железы, только не во внешнесекреторных, а во внутрисекреторных — в так называемых бета-клетках островковой ткани. Образование ацетилхолина, являющегося химическим передатчиком нервного импульса с нервного окончания на иннервируемый орган, происходит в определенном участке нервного окончания.

Процессы обмена веществ — синтез и распад различных соединений — различны не только в разных клетках, но и в разных структурах высокодифференцированной клетки. Гистохимические методы и методика изотопных индикаторов позволили установить участие различных структур клетки в процессах обмена веществ. При этом оказалось, что расщепление  углеводов — гликолиз — происходит в цитоплазме, процессы окислительного фосфорилирования осуществляются в митохондриях; ранние стадии синтеза белка происходят в цитоплазме, а более поздние — в микросомах. Соответственно этому неодинаково распределение различных ферментов в разных частях клетки.

Непрерывно протекающие в клетках организма процессы обмена веществ, гак же, впрочем, как и все остальные физиологические функции, не являются постоянными и неизменными. Они динамичны и изменчивы. Под влиянием воздействий внешней среды и сдвигов во внутренней среде организма обмен веществ может усиливаться или уменьшаться, он может и качественно изменяться. Так всегда происходит при деятельности клеток. При этом совершается переход от обмена покоя (всякий покой в организме является относительным, ибо жизненные процессы характеризуются затратой веществ и энергии) к рабочему обмену, тем более интенсивному, чем больше совершаемая клеткой деятельность.