ЄДНІСТЬ І СТАЛІСТЬ ХІМІЧНОГО СКЛАДУ ЖИВИХ ІСТОТ

Розділ 2 Молекулярний рівень організації живої природи

Тема 5. Біомолекулярний склад живого

§ 30. ЄДНІСТЬ І СТАЛІСТЬ ХІМІЧНОГО СКЛАДУ ЖИВИХ ІСТОТ

Терміни та поняття: єдиний план молекулярної будови організмів, ідея єдності матеріального світу.

У чому виявляється єдність хімічного складу живого.

Після вивчення усього різноманіття сполук і речовин, що є обов’язковими компонентами живого, не можна залишити поза увагою очевидну універсальність хімічного складу живих істот, який можна назвати єдиним планом молекулярної

будови організмів. Ці загальні властивості, що доводять єдність живого, можна звести до кількох основних. У чому вони полягають?

1. Усі живі організми складаються з атомів одних і тих самих хімічних елементів. Причому 98 % їхньої маси припадає на чотири органогенних елементи. (Пригадайте, які.) Ще 20 біогенних елементів (усі макроелементи й частина мікроелементів), постійно входять до складу клітини. Без них неможливе життя клітини, хоча їх співвідношення в різних організмів і типах клітин змінюється.

2.

Без води немає життя. Основною речовиною будь-якого організму є вода. У клітинах грибів і рослин вода становить 80-90 %. У найбільш функціонально активних органах тварин вміст води сягає 90 %. (Як ви вважаєте, чому в насінні рослин або жировій тканині тварин на воду припадає лише 10-12 %?) Така потреба живих організмів у воді викликана тим, що вона є не тільки постійним учасником хімічних реакцій, що відбуваються в клітинах, а й універсальним розчинником – середовищем для їх проходження.

3. Загальним для всіх видів організмів є набір іонів основних мінеральних солей. Універсальна властивість живого – подразливість – здійснюється зміною співвідношення іонів K+ і Na+ зовні й усередині клітини, саме за їх допомогою транспортуються речовини у клітину і за її межі. Іони Mg2+ є активаторами роботи багатьох ферментів незалежно від того, в клітині тварини, рослини або гриба вони працюють.

4. У клітинах усіх живих істот зберігається сталий рівень концентрації іонів Гідрогену, що відповідає значенню рН, близькому до нейтрального. Підтримується цей баланс за рахунок катіонів ортофосфатної кислоти.

5. До складу клітин усіх живих організмів без винятку входять чотири типи органічних сполук, які виконують спільні для всіх організмів функції:

– ліпіди – гідрофобні сполуки, до складу молекул яких входять залишки жирних кислот і багатоатомних спиртів. Жири – естери триатомних жирних кислот і гліцерину, є енергетичним резервом будь-якого організму. Жироподібні речовини – це більш складно побудовані багатоатомні естери, що мають гідрофобні або амфіфільні властивості. За рахунок цього вони здатні утримувати в середині клітини воду, а тому фосфоліпіди є обов’язковими компонентами клітинних мембран всіх організмів без винятку;

– вуглеводи – багатоатомні альдегідоспирти, в емпіричній формулі яких на атом Карбону припадає молекула води. Моносахариди, особливо глюкоза, є універсальним джерелом енергії. Полісахариди, що складаються із залишків молекул глюкози, – основні резервні речовини клітин всіх організмів. (Пригадайте, що ви знаєте про крохмаль, глікоген, інулін.) Деякі полісахариди(клітковина, хітин) концентруються на поверхні клітин, утворюючи захисні структури;

 ЄДНІСТЬ І СТАЛІСТЬ ХІМІЧНОГО СКЛАДУ ЖИВИХ ІСТОТ

Мал. 162.ДНК – це універсальна речовина, яка в усіх живих істот побудована за єдиним принципом, і є найкращим доказом єдності хімічної організації всього живого

– білки – унікальні будівельні речовини клітини, виконують ще багато інших функцій. Є білки, універсальні для всіх істот без винятку (дихальні білки – цитохроми, білки цитоскелета, клітин них мембран, рибосом), а деякі – специфічні для конкретних груп організмів. (Пригадайте, в яких організмах виробляється гемоглобін, казеїн, інсулін.) З 20 універсальних амінокислот побудовані поліпептидні ланцюги усіх живих істот без винятку. Ферменти – універсальні біологічні каталізатори, побудовані з однієї чи кількох білкових молекул. Оскільки в різних організмах відбуваються подібні хімічні реакції, то й набір ферментів, що каталізують ці реакції, у клітинах різних груп живих істот подібний. Більш того, просторова структура ферментів, що виконують ті самі функції у різних видів організмів, а також послідовність амінокислот в їх поліпептидних ланцюгах дуже схожі;

– нуклеїнові кислоти (ДНК і РНК) входять до складу всіх клітин без винятку. Побудовані вони з чотирьох типів нуклеотидів. ДНК – подвійна макромолекула, яка складається з двох полінуклеотидних ланцюгів. Її функція – зберігання генетичної інформації. Молекули РНК слугують для синтезу білка, вони бувають трьох типів і трапляються в усіх живих організмів без винятку.

6. Основним накопичувачем енергії в усіх клітинах є АТФ. У молекулі АТФ енергія запасається у вигляді макроергічних хімічних зв’язків.

Хімічний склад живих істот та ідея єдності світу. Найважливішим наслідком універсальності принципів будови всіх живих істот на молекулярному рівні є обгрунтування ідеї єдності матеріального світу. Її суть полягає в тому, що всі організми побудовані з атомів тих самих хімічних елементів, що й неживі, а також підпорядковуються всім без винятку фізичним законам. (Пригадайте, яким ще фізичним законам, крім закону збереження й перетворення енергії, підпорядковується життя живих істот.) Ця ідея чітко підтверджується наявністю єдиного плану молекулярної будови, що притаманний всім живим істотам. Наявність такого плану проявляється і на рівні органічних речовин.

Чим ближча спорідненість організмів, чим зовні вони більш схожі, тим більш подібним є їхній хімічний склад. У близьких видів збігається не тільки кількісний набір хімічних елементів або органічних сполук, їх співвідношення в клітині, але й організація макромолекул ДНК чи білків, які є специфічними для кожного виду (мал. 162). Так, молекулярно-генетичні дослідження останніх десятиліть довели, що в молекулах ДНК і РНК людини й шимпанзе відмінності в розташуваннях нуклеотидних пар становлять менше 1 % , а амінокислотний склад тих самих білків відрізняється на 1-2 %. Якщо ж порівняти людину з макаком суматранським, то відмінності в первинній структурі цих молекул збільшаться у 2-3 рази, а при порівняннях з мишею хатньою стануть більшими в 10 разів. Саме тому генетики говорять, що людей і шимпанзе, які є близькоспорідненими видами, просто “виліпили з одного молекулярного тіста”.

Макромолекули у людини й шимпанзе за своєю будовою настільки схожі, що кров людини можна успішно переливати до кровоносного русла шимпанзе й при цьому реципієнт не виявить жодних ознак хвороби. (Пригадайте, чи можна вільно переливати кров від однієї людини до іншої.)

Що доводить єдність загального плану молекулярної будови. Перш за все, всі види живих організмів, які живуть на Землі, більшою чи меншою мірою споріднені між собою, а значить вони виникли від спільних предків – дуже примітивних істот, що існували на Землі більш ніж 3,5 млрд. років тому.

Більшість учених припускають, що життя на Землі виникло у Світовому океані, який покривав всю Земну кулю. Тоді активно йшли геологічні процеси, супроводжуючись виділенням з надр різних речовин. У тих місцях, де вони виділялися, вода не тільки мала підвищену температуру, але навіть кипіла, причому на дні океану процес ішов під високим тиском. Очевидно, саме у таких місцях з підвищеною температурою з неорганічних сполук утворювалися найпростіші органічні речовини, які потім почали концентруватися. Таким чином утворилося щось на зразок клітинної мембрани. У цих скупченнях органічних речовин відбувалися зовсім інші хімічні процеси, ніж у довколишньому середовищі. На певному етапі скупчення органічних речовин стали здатними до самовідтворення і посуті перетворилися на перших живих істот.

Усі живі істоти мають єдність хімічного складу, яка проявляється як в однаковому на борі хімічних елементів, так і в наявності універсальних органічних сполук (ліпідів, вуглеводів, білків і нуклеїнових кислот). Загальний план молекулярної будови організмів доводить єдність матеріального світу і дає підстави вважати, що всі нині існуючі види істот походять від перших примітивних організмів, які з’явилися на Землі понад 3,5 млрд. років тому.

Масло Лоренцо

Інформація до роздумів. Існує думка, що користь жирів тим вища, чим більше в них ненасичених жирних кислот. Це пов’язано з тим, що ненасичені кислоти дуже легко вступають у хімічні реакції окиснення і приєднання за місцем розташування подвійних зв’язків у їх молекулах. Чим більше в жирах похідних насичених (граничних) жирних кислот, тим вища температура їх плавлення. У яловичому та баранячому жирах, що швидко застигають, вміст гліцеридів насичених кислот близько 51 %, у свинячому жирі їх трохи менше (40 %), тому він плавиться легше, а в соняшниковій олії – тільки 17 %. Багато похідних ненасичених жирних кислот міститься в риб’ячому жирі.

У 1992 році на екрани вийшов художній фільм, що змусив мільйони людей плакати й практично стількох же – вивчати біохімію, – “Масло Лоренцо”, заснований на реальних подіях. Дитина родини Одоне, нормальний веселий хлопчик на ім’я Лоренцо у віці 7 років став проявляти ознаки незрозумілого захворювання: погіршився слух і зір, спостерігалася дратівливість зі спалахами буйства, порушилися координація рухів і мова, згодом настали судоми й параліч. Дитині поставили страшний діагноз: адренолейкодистрофія. Через рік повністю паралізований хлопчик навіть не був здатний ковтнути слину. Медицина дала хлопчику ще два роки життя.

Адренолейкодистрофія – спадкове захворювання, пов’язане з порушенням функціонування особливих органел, у яких здійснюється окиснення жирних кислот. У результаті в клітинах накопичуються багатоатомні жирні кислоти, внаслідок чого відбувається руйнування мієлінової оболонки нервових волокон. Мієлінова оболонка – електроізолююча оболонка, що покриває аксони багатьох нейронів, являє собою безліч шарів клітинної мембрани. Пошкодження мієлінових оболонок призводить до того, що стає неможливою передача нервового імпульсу; одночасно вражається умовна і безумовна рефлекторна діяльність.

Батьки хлопчика усі сили кинули на вивчення хвороби й пошук препарату, здатного полегшити долю дитини. Спочатку експериментували з рослинними оліями, які додавали в їжу дитині, потім зупинилися на суміші виділених з рапсової й маслинової олій тригліцеридів олеїнової й ерукової кислот, остання міститься у представників родини хрестоцвітні, у співвідношенні 4:1. Препарат із суміші цих кислот батьки назвали на честь свого сина “масло Лоренцо”. Ліки сприяли тому, що, замість відведених йому медициною двох років, Лоренцо Одоне прожив ще 22 й помер через запалення легенів лише у 2008 р. 30-літнім.

Препарат “Масло Лоренцо” – не панацея від адренолейкодистрофії, на жаль, цю хворобу повністю вилікувати на сьогодні неможливо. Однак масло Лоренцо продовжує хворим життя на десятки років. У тих, в кого хвороба діагностована на ранніх стадіях, до настання деградації організму, її перебіг вдається практично зупинити!

Масло Лоренцо – усього лише один, хоча й дуже яскравий приклад впливу ліпідів, які організм отримує з їжею, на загальний хімічний обмін організму. Яким же є вплив на організм ліпідів, отриманих з їжею здоровою людиною?

Усупереч поширеній думці щодо корисності рідких рослинних олій і шкідливості твердих тваринних жирів, виявляється, що найбільш шкідливим з них є маргарин – рослинні олії, штучно перетворені у тверді жири. Для отримання маргарину проводять гідрогенізацію жиру. Ненасичені кислоти, зазвичай рідкі за кімнатної температури, перетворюються у тверді штучні жири: маргарин і шортенинг. Для їх виробництва використовують найдешевші рослинні олії (соєву, кукурудзяну, бавовняну й ін.), у які попередньо вводять дрібні частки металу, наприклад нікол(ІІ) оксид, що слугує каталізатором. Масло разом із частками металу під більшим тиском у високотемпературному реакторі зазнає впливу Гідрогену. Після цього в отриману суміш вводять милоподібні емульгатори (речовини, що утворюють емульсії) й крохмаль для поліпшення консистенції, а потім суміш для очищення знову нагрівають парою. Оскільки природній колір і запах маргарину дуже неапетитні, в нього ще додають відбілювач, барвники й сильні ароматизатори. У результаті цей продукт стає зовні схожим на вершкове масло. І нарешті, суміш пресують, фасують і продають як нормальний харчовий продукт.

При впливі високих температур і зазначеного каталізатора атоми Гідрогену змінюють своє положення в ланцюжку жирної кислоти. До гідрогенізації пари атомів Гідрогену розташовані в ланцюжку поруч, що приводить до невеликого його вигину й концентрації електронів у місці цього подвійного зв’язку. Ця молекула належить до цис-ізомерів і саме така форма молекули найчастіше зустрічається в природі. У результаті гідрогенізації один з атомів Гідрогену з пари переміщається на іншу сторону, тому молекула набуває іншої форми й утворюються неприродні для живих істот транс-ізомери жирних кислот. Через це більшу частину штучних жирів організм людини взагалі не сприймає. Замість виділення їх, організм використовує ці транс-жири для побудови клітинних мембран, вважаючи їх за цис-жири. Тому, вбудовані в клітинні мембрани, трансжирні кислоти порушують клітинний метаболізм, оскільки хімічні реакції можуть відбуватися тільки тоді, коли електрони в клітинних мембранах утворюють певну конфігурацію.

До цього слід також додати, що природні жири, які ми споживаємо – це переважно суміші різних жирів з водою, мінеральними солями й вітамінами.

Тихоходки – тварини, які є справжнім викликом біохімії

Інформація до роздумів. Існують на світі тварини, яких можна сміливо назвати головним болем зоологів. Річ у тому, що ці тварини мають настільки разючі властивості, що не піддаються аналізу з погляду біохімії.

Вони настільки непомітні (від 0,1 до 1 міліметра), настільки неквапливі, настільки неповороткі, що назвали цих тварин тихоходками (мал. 163).

Тихоходки живуть у краплинній волозі, що накопичується на мохах, лишайниках. Вони оселяються у вологих складках листків і в основі черешків, у вологих щілинках під корою дерев, у водостоках замшілих дахів, на каменях і скелях – усюди, де є волога та їжа.

Першим цих тваринок побачив у 1702 р. Антон ван Левенгук. Він розглядав у мікроскоп усе, що тільки могло поміститися під окуляр приладу. Левенгук, зібравши пил з жолоба водостічної труби, розмочив його у воді і виявив мікроскопічних комашок. На жаль, Левенгук забув про своє відкриття. Проте інший дослідник, італійський біолог Лазаро Спалланцані, у 1776 р. повторив експеримент Левенгука, розглянувши пил більш ретельно. У бруді з даху він виявив тих самих комашок. Невідомі тваринки так вразили Спалланцані своєю неквапливістю, що він назвав їх тардигради (з грец. – тихоходки).

Тривалий час дослідники намагалися довести родинні зв’язки тихоходок із червами, ракоподібними комахами – усе марно, тихоходки виявилися не схожими ні на кого. У підсумку і в сучасній системі тваринного світу існує окремий клас Тихоходки (Tardigrada), що належить типу Членистоногих.

Зовні ці тварини віддалено схожі на товстих ведмежат (друга назва тихоходки – “маленький водяний ведмідь”). їхня внутрішня будова проста до надзвичайності, кровоносна й дихальна системи відсутні зовсім.

Тихоходки – це цілий світ, що нараховує близько 900 видів, в якому є свої “травоїдні” і хижаки: одні висмоктують поживні речовини із зелених рослин, інші полюють на дрібних комашок, у тому числі й на інших тихоходок. Серед цих тварин є як самці, так і самки, останні відкладають від 2 до 20 яєць, з яких вилуплюються мініатюрні копії дорослих.

 ЄДНІСТЬ І СТАЛІСТЬ ХІМІЧНОГО СКЛАДУ ЖИВИХ ІСТОТ

Мал. 163.Тихоходка

Але найцікавішою є здатність тихоходок до виживання. Здається, що вони не підкорюються жодним правилам біохімії, що для цих тварин немов би “скасоване” таке явище, як денатурація білків чи нуклеїнових кислот.

Вони – мабуть, найнадзвичайніші тварини на планеті. У стані анабіозу тихоходки здатні перенести: – нагрівання до +150 °С; – охолодження до -271 °С;

– перебування у вакуумі; – тиск близько 6000 атмосфер, що в шість разів перевищує тиск на дні найглибшого місця в океані; – вплив найсильнішого рентгенівського випромінювання: 570 000 рентген убиває тільки 50 % особин, що опромінюються (для порівняння, для людини смертельною дозою радіації є 500 рентген); – перебування у чисто му водні; – висихання тривалістю по над 100 років; – повну відсутність кисню.

Тихоходки здатні переносити охолодження до -271 °С протягом багатьох годин. Річ у тім, що число 271 – це практично найнижча температура, яку можна досягти в експерименті. Усього лише на два градуси це значення відрізняється від -273 °С (абсолютного нуля – температури, за якої припиняється рух атомів).

Вчені вважають, що їхня властивість до виживання спирається на механізм ангідробіозу, тобто висушування. При висиханні тихоходки втягують у тіло кінцівки, зменшуються в об’ємі й набувають форми барила, поверхня їх тіла вкривається восковою оболонкою, що перешкоджає випаровуванню. При анабіозі метаболізм тихоходок спадає до 0,01 % від норми, а вміст води може доходити до 1 % від нормального. Тихоходки, що були знайдені у прадавніх музейних колекціях мохів і поміщені у воду, через кілька днів “оживали” і неспішно відправлялися на пошуки їжі.

Здавалось би, білки іДНК мають неминуче руйнуватися під дією температури кипіння олії, рентгенівське випромінювання не може не зруйнувати молекули ДНК, а високий тиск не може не зруйнувати організм, пристосований для життя не в океанських глибинах, а в крапельці води.

Тому серед офіційних наукових гіпотез трапляються досить екстравагантні. Однак їх екстравагантність іноді виявляється цілком обгрунтованою. Розглянемо одну з таких теорій. Екстремально низькі температури, високий рівень радіації, безкисневе середовище, вакуум, надзвичайний тиск. Хіба існують на нашій планеті місця, де зустрічаються перераховані чинники? Жодного! А де ж можна зустріти настільки несприятливі умови? У космосі! А тому немає причин вважати нереальною гіпотезу про те, що тихоходки – це прибульці із космосу – істоти, яким немає місця в систематиці земного життя і які мають запас міцності, не потрібний для життя на нашій планеті.

Навіщо організми виробляють алкалоїди й токсини

Інформація до роздумів. Деякі біологи беззастережно відстоюють відомий принцип: “природа знає краще”, а тому все, що відбулося в природі, є не випадковим і має пристосувальний сенс, даючи можливість виду або конкретному організмові успішно протистояти своїм ворогам, пристосуватися до умов навколишнього світу. В результаті найбільш “вдалий” організм залишає більше нащадків з такими ж, як і він сам, позитивними властивостями. Інші вчені вважають, що й природа може помилятися і всі дивні та незрозумілі ознаки чи властивості організмів – результат випадковості й вони не мають прямого біологічного змісту.

Хід такої дискусії легко продемонструвати. Наприклад, на запитання: “Чому ягоди малини й суниці пофарбовані в яскраво-червоний колір?” прихильник доцільності відразу дасть відповідь: “Тому що яскравий колір приваблює птахів, які поїдають ягоди й у такий спосіб розносять насіння, що не перетравлюється, а це в свою чергу сприяє поширенню виду”. Тоді резонно буде запитати: “А чому ягоди отруйних рослин вовчеягідника чи конвалії теж яскраво-червоні? А чому ягоди чорниці такі непримітні? Хіба цим видам не потрібно поширюватися? І взагалі, чому кавун зелений ззовні і червоний всередині?”

Особливого змісту дискусія про доцільність і випадковості властивостей і ознак біологічних об’єктів набуває у зв’язку з таким явищем, як алкалоїди й токсини, які пасивно накопичуються в тілах багатьох рослин, грибів і деякою мірою тварин.

Дійсно, може токсини й алкалоїди рослин – це наслідок “війни флори й фауни”? Багато хто з ботаніків дотримуються цієї точки зору. Адже алкалоїди й токсини (різниця між якими тільки в дозі, при якій вони викликають отруєння) широко поширені в рослин і грибів. На сьогодні описана хімічна структура декількох тисяч алкалоїдів і токсинів. Скрупульозні лабораторні досліди показали, що на ріст і життєдіяльність рослин, у яких вони виробляються, аклкалоїди ніяк не впливають. Тому в прихильників біологічної доцільності не залишається іншого пояснення, як те, що вони захищають рослину від поїдання тваринами. І цьому є прямі докази. Види чи окремі рослини, що містять алкалоїди, дійсно мають набагато меншу кількість ворогів. Спостереження, проведені американськими вченими на околицях м. Сієтлу (США), показали, що регулярно в цій місцевості берези й верби пошкоджуються шкідниками, які через деякий час починали гинути від голоду. Виявилося, що, захищаючись від ворогів, дерева змінювали обмін білків і в їх клітинах починали синтезуватися особливі поліпептиди. З’ясувалося, що хімічний склад листя змінювався навіть у дерев, які росли неподалік. Після тривалих дослідів учені з’ясували, що дерева, атаковані шкідниками, виділяють етилен. Вітер відносить цей газ до сусідніх дерев, вселяючи в них “тривогу”. І ті змінюють свій метаболізм таким самим чином. Цей процес взаємних генетичних змін двох тісно взаємодіючих в природі видів отримав назву коеволюції.

Однак супротивники жорсткої доцільності в природі мають власну думку: токсини й алкалоїди – не спеціальна зброя рослин. Це наслідок недосконалості їх метаболізму, коли в результаті хімічних реакцій утворюються побічні продукти, які накопичуються в клітинах і деякий час не заподіюють шкоди “хазяїнові”, але залишаються небезпечними для інших.

Подібно до рослин, і серед тварин отруйні істоти аж ніяк не найбільш процвітаючі, як наприклад, метелики-пістрянки. У їхній гемолімфі містяться сполуки синильної кислоти, з якої отримують одну з найсильніших отрут – калій ціанід. Це невеличкі товсточеревні важколітаючі метелики, які зазвичай мають барвисте застережне забарвленне. Іноді вони бувають численними, але частіше зустрічаються епізодично, набагато рідше від своїх нетоксичних побратимів (білянок, совок), синявців, німфалід, а тому, навіть якщо їх і побоюються птахи, це, як не дивно, не приводить до їхнього процвітання.

Схожа ситуація й з амфібіями. Найбільш отруйною слід вважати кумку червоночеревну. її черево дійсно відлякує хижих птахів і звірів, але це не зробило її дуже численним видом. Значно чисельнішими є “їстівні” види – жаба озерна чи гостроморда.

І взагалі, не можна не відзначити тієї тенденції, що серед більш високоорганізованих істот, у яких метаболізм досконаліший, рідше трапляються токсичні види. У тих же рослин алкалоїдвмісних видів серед однодольних набагато менше, ніж серед еволюційно менш просунутих дводольних. Чітка тенденція зменшення кількості отруйних видів спостерігається в еволюційному ряді хребетних тварин. Дійсно, серед риб досить звичайними є види з отруйними внутрішніми органами, м’ясом, шкірою (досить згадати рибу фугу). Багато видів риб мають тверді гострі промені, по яких стікає отрута, що виробляється в шкірі. Однак серед рептилій вже немає пасивно отруйних видів, а в активно отруйних змій отрута – це особливі ферменти, склад і властивості яких відомі. Отруйні види взагалі не зустрічаються серед птахів і вищих ссавців. Ці приклади підтверджують, що чим вища організація і чим досконалішим є метаболізм, тим менша ймовірність того, що в клітинах будуть накопичуватися отруйні речовини.




ЄДНІСТЬ І СТАЛІСТЬ ХІМІЧНОГО СКЛАДУ ЖИВИХ ІСТОТ