Схема 1. Последов ателье ость атшгоа ври биохимических исследованиях Эош ассмюив» 06wt ятоаедоюм 1 страница

2007020000—080

001(01)—ее

© Издательство «Высшая школа», 1986

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современные достижения биохимии в раскрытии тайн живой природы приблизили нас к пони­манию физико-химических основ жизнедеятель­ности, прояснив многие молекулярные механиз­мы наследственности, биоэнергетики, обмена веществ, регуляции и адаптации биохимических процессов в организме. Эти фундаментальные исследования биохимии имеют широкое практи­ческое применение в различных областях науч­ных знаний и народном хозяйстве.

В директивных документах партии и прави- тельства₃ в постановлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР «О дальнейшем развитии фи­зико-химической биологии и биотехнологии и использовании их достижений в медицине, сель­ском хозяйстве и промышленности» перед биохи­мической наукой ставятся задачи первостепен­ной важности — познание биохимических.меха­низмов жизнедеятельности человека, совершен­ствование методов диагностики, профилактики и лечения наиболее распространенных заболе­ваний, получение новых эффективных лекарств и препаратов, химических и биологических средств зашиты растений, разработка и внедрение в производство биотехнологических процессов, приемов и методов и т. д.

Ориентация фундаментальных знаний в прикладном направлении служит основой про- филизации курса биохимии в вузах. Она долж­на проводиться с учетом особенностей подго­товки и практической деятельности будущего специалиста.

Учебник предназначен для студентов фармацевтических специальностей высших учебных заведений н соответствует программе курса биохимии, утверж­денной Министерством здравоохранения СССР, но отдельные разделы его могут быть использованы студентами при изучении биохимии в других вузах.

Материал книги систематизирован по функциональному принципу, чтобы отчетливее прослеживалась взаимосвязь между функциями живого организма и структурой биомолекул, химическими и физико-химическими процессами, кото­рые их определяют.

При изложении курса биохимии рассматривается обмен веществ и энергии, молекулярные основы переноса генетической информации, регуляции биохими­ческих процессов и функций организма, а также биохимические функции отдель­ных тканей и органов Вместе с тем в книге отражены вопросы патобиохимии и практическое значение биохимической науки в тех или иных областях медицины и народного хозяйства. С учетом специфики фармацевтического образования в вузах в учебнике рассматриваются прикладные вопросы биохимии, имеющие значение для практической деятельности будущих специалистов, а именно: элементы клинической биохимии, значение биохимической науки в биотехноло­гии лекарств, анализе, контроле качества и стандартизации лекарств. Значи­тельное внимание уделено изложению метаболизма лекарств, позволяюще­му понять роль ферментативных превращений в проявлении лекарственной активности и токсичности веществ и в разработке новых препаратов. •

Глава 32 «Фармацевтическая биохимия»' написана автором учебника со­вместно с доц. В. Г. Макаровой.

Автор приносит благодарность профессору Д. М. Зубаи'рову и коллективу кафедры биохимии (зав. кафедрой профессор В. С. Якушев) Запорожского медицинского института, сделавшим ценные замечания и предложения при ре­цензировании учебника, а также сотрудникам кафедры биохимии (зав. ка­федрой профессор В. П. Комов) Ленинградского химико-фармацевтического института, высказавшим ряд пожеланий и замечаний при обсуждении рукописи книги. Он считает своим долгом выразить благодарность С. А. Покровскому, В. Г. Макаровой, В. В. Стронтелеву, Б. А. Егорову, А. В. Дмитриеву и А. А Еф­ремову, помогавшим в оформлении рукописи учебника.

Автор будет признателен за все критические замечания, советы и предложе­ния по содержанию учебника.

Е. А. Строев

ВВЕДЕНИЕ

Предмет и задачи биохимии

Биологическая химия — наука о структуре хи­мических веществ, входящих в состав живой материи, их превращении и физико-химических процессах, лежащих в основе жизнедеятельно­сти. Биохимия является частью биологии, охва­тывая те ее области, которые требуют для изу­чения процессов жизнедеятельности физико- химических и химических подходов, приемов и методов. Особенность биохимии вытекает из ее названия, которое указывает на химическую сущность этой науки, а также на значимость для нее функциональных (биологических) ис­следований химических процессов.

Исторически биохимия связана родствен­ными узами с органической химией, изучаю­щей химические свойства веществ, входящих в состав живой материи, и физиологией, изучаю­щей функции живых организмов. Со временем определение органической хдмни как химии природных соединений утратило первоначаль­ное значение. Ее правильнее называть химией соединений углерода, разнообразие которых, бла­годаря успехам синтеза, не ограничивается ве- щестеами, содержащимися в живых организмах.

Поскольку химические вещества и химиче­ские процессы живой материи определяют мно­гие функции организма, то первоначально ор­ганическая химия представляла собой как бы химический раздел физиологии, физиологии клетки, простейшей живой системы, занимается, по существу, описанием клеточных функций с позиций физической химии и сближается с биохимией. Не случайно термины «физиологиче­ская химия» и «биохимия» употреблялись как равнозначные понятия.

Возникнув на стыке смежных дисциплин, биохимия в то же время не стала неким ме­ханическим объединением химии и физиологии. Несомненно, у нее много общего с химически­ми дисциплинами, такими, как органическая и физическая химия, особенно это относится к методам, применяемым для изучения природ­ных веществ; однако перед биохимией и хими-

ческими науками стоят разные задачи. Для органической и физической хи­мии представляют интерес прежде всего строение к свойства химических соединений, например их электронная структура, порядок связи и механизм ее образования, изомерия, конформация и т. д., информацию о которых эти науки черпают с помощью специальных методов химии и физической хинин (структурный и- стереохимический анализы, методы молекулярных орбиталей, встречного синтеза, химической модификации, получения химических анвлогов и т. п.). Тогда как главным для биохимии является выяснение функционального (биологического) назначения всех химических веществ и физико-химических процессов в живом организме, а также механизм нарушения этих функций при разных заболеваниях.

Биохимия обязана своему становлению многим смежным наукам и по- прежнему сохраняет с ними тесную связь в изучении живой природы, но вместе с тем она остается-оригинальной и самостоятельной наукой, задачей которой является исследование взаимосвязи строения веществ и их функций, превраще­ния химических соединений в живом организме, cnocQ6a преобразования энергии в живых системах, механизмов регуляции химических превращений и физико- химических процессов в клетках, тканях и органах, молекулярных механизмов переноса генетической информации в живых организмах и т. д.

Методы биохимии

Биохимик, имея дело с живым объектом, применяет' максимально щадящие способы выделения какого-либо вещества, выполняет ряд дополнительных опе­раций, чтобы свести исследование биологических молекул к обычному фязнко-

Схема 1. Последов ателье ость атшгоа ври биохимических исследованиях Эош ассмюив» 06wt ятоаедоюм

| Оргю | | Ткмд | | Киетк» j

| Экстракт |

IV Амиж

1. ft»*, и рак да

2.Т«рмсоб|Ивотка (догаляаши, вяаарймама, еубпвмапи) X Дмиоо

>.Ля»а«и1рофвр«»

Т.Иэоздыпрлеысо» фонучарочлае» rpi армии рН ' (.Хроютографм

Молекулярные бнццгууутурм j

химическому анализу. Примерная последовательность операций при выделении веществ из биологического материала приведена в схеме 1. Выбор методов выделения и анализа биологических веществ зависит от их свойств.

Для количественного изучения, определения структуры и физико-химиче- ских свойств выделенных веществ используют различные физические, физико- химические, химические методы анализа, а также квантово-механические расче­ты электронной структуры выделенных соединений. Применение этих методов должно сочетаться с приемами, позволяющими сохранить нативную структуру биологических веществ.

Наряду с методами химии, физико-химии (включая применение меченых атомов), математики, физиологии, используемых для изучения структуры, прев­ращения к функции биологических соединений, биихнмин имеет свой собственный метод исследования — метод ферментативного анализа. Он также широко при­меняется в практической медицине, фармации и различных отраслях науки и народного хозяйства.

Краткая -история развития биохимии

Исторически сложилось два этапа исследований в биохимии: статический и динамический. Статическая, или описательная, биохимия изучает состав живой материи, структуру и свойства выделяемых биологических соединений. Динами­ческая биохимия исследует химические превращения веществ в организме и значение этих превращений для процессов жизнедеятельности. Безусловно, ста­тическая биохимия является более ранним этапом, но впоследствии оба направ­ления развивались параллельно.

Биохимия — сравнительно молодая наука, возникшая на рубеже XIX в. Однако корни ее уходят в глубокую древность. Естественное стремление людей понять причину болезни и найти лекарство против недуга пробудило интерес к процессам, протекающим в живых организмах.

Крупнейший ученый и врач средневековья Абу Али-ибн-Сина (Авиценна) (980—1037) приводит в своем труде «Канон врачебной науки» классификацию химических веществ, применяемых в медицине, называет вещества, содержащие­ся в «соках организма» и в моче.

Однако развитие биохимии долгое время сдерживалось засильем витализма — идеалистического учения о сущности жизни. По представле­ниям виталистов живая природа отличается от неживой присутствием осо­бой нематериальной «жизненной силы», поэтому, считали они, вещества живых организмов не могут быть синтезированы в лабораторных условиях.

В XvIII в. был сделан ряд важных открытий. М. В. Ломоносов открыл закон сохранения материи и движения (1748) и указал на его применимость как для живой, так и неживой природы. В этом же веке был открыт кислород (Шееле, Пристли) и показана необходимость его для дыхания человека и животных (Пристли, Лавуазье). Было доказано, что растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород, т. е. был открыт фотосинтез (Пристли, Инген-Хуз,

Сенебье). Из живых объектов было выделено большое число органических соеди­нений — органические кислоты и спирты (Шееле).мочевина (Руэлль), холестерин (Конради) и др. Заслуживают внимания опыты итальянского аббата Спал- ланцани, который, исследуя влияние желудочного сока на переваривание мяса у хищных птиц, доказал химическую сущность это^О процесса, Начинает развиваться динамическое направление в биохимии.

Развитие методов органической химии в XIX в. существенно ускорило развитие биохимии. В 1828 г. немецкий химик Вёлер синтезировал в лаборато­рии мочевину из циановой кислоты и аммиака. Синтез мочевины — основного продукта азотистого обмена многих живых организмов, в том числе и организ­ма человека, имел огромное значение: впервые было доказано, что химические вещества живого организма н полученные в лаборатория одинаковы. Тем са­мым Вёлер нанес серьезный удар по ошибочным представлениям и предрассуд­кам виталистов и 1828 г. можно считать годом основания биохимии как науки. Официальное признание биологическая, или медицинская, химия как самостоя­тельная дисциплина получила позднее. Этому в значительной мере способство­вали русские биохимики, работы которых получили признание во всем мире. В 1863 г. в России было введено преподавание медицинской химии. Первые кафедры были созданы на медицинских факультетах Московского университета (заведующий кафедрой А. Д. Булыгинекий), Казанского (А. Я. Данилевский), Харьковского (ф. В. Тихонович) и Киевского (А. А. Шефер) университетов. За рубежом первая подобная кафедра была организована в Германии (1866), ее возглавил крупнейший биохимик того времени Хоппе-Зейлер. Были созданы первые учебники и руководства'по биологической (физиологической) химии в Германии Зимоном (1842) и в России профессором Харьковского университе­та А. И. Ходнеаым (1847).

В XIX в. были заложены главные направления в биохимии, открыты основ­ные классы соединений, содержащихся в жнво'м организме. Особенно далеко продвинулось изучение химии белков, которыми ученые интересовались не толь­ко как обычным продуктом питания, но прежде всего как веществами, широко распространенными в живой природе. Были выделены белки из различных про­дуктов животного и растительного происхождения. Изучение продуктов гидро­лиза белка привело к открытию аминокислот. Большую роль в развитии этих исследований сыграли отечественные ученые Н. Э. Лясковский, А. Я. Данилев­ский, С. С. Салазкин, П. Н. Любавнн, А. П. Сабанеев, М. В. Ненцкий. Успехи в исследовании белков подготовили почву для важных философских обобщений ф. Энгельса. В 80-х годах XIX столетия ф. Энгельс высказал свое знаменитое положение, что «...жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических состав­ных частей этих тел»[1], которое сохранило значение и до наших дней.

Незамеченным в свое время осталось открытие швейцарским ученым Мише- ром в 1869 г. ДНК — представителя класса нуклеиновых кислот, являющихся, как оказалось впоследствии, веществами, не менее значимыми для всего живого, чем белки. Были поставлены первые опыты, доказывающие взаимопревраще­ние белков, жиров и углеводов (Либих, Петтенкофер, Фойт, Гофманн).

В XIX в. возникает учение о незаменимых компонентах пищи — витами­нах, начало которому положили работы русского ученого Н. И. Лунина (1880), продолженные впоследствии К. А. Сосиным, В. В. Пашутиным и зару­бежными — Эйкманом, Функом, Гопкинсом.

Усилиями французских ученых—Бернара, Бертольда, Броун-Секара за­рождается новое направление — биохимия гормонов, которое сразу дало прак­тические результаты по применению гормонов в качестве лекарств.

Стремление проникнуть в тайны химических превращений в живом орга­низме привело к расцвету исследований по ферментам.

Берцелиус и Шенбейн доказали сходство действия ферментов и неоргани­ческих катализаторов. Дальнейшие работы русских ученых А. Я- Данилевского, М. М. Манасенной, И. П. Павлова и немецких ученых Э. Бухнера и Г. Бухнера, Либиха способствовали становлению нового направления в биохимии —; жзимолш ин„ которое дало ключ к пониманию механизма химических превра­щений в живых объектах.

В XX в. биохимия достигла подлинного расцвета. В 1902 г. Э. Фишер с сотр. впервые осуществил искусственный синтез пептидов. Он же разработал пептидную теорию строения белка. Примерно к середине XX в. были изучены основные цепи химического превращения белков, углеводов, липидов, амино­кислот и других соединений. Открытие процессов окисления и синтеза жирных кислот и других липидов связывается с именами Кноопа, Линена, Липмана, Кеннеди, Леиинджера. Создаются схемы различных путей превращения угле­водов и образования в ходе.их химического носителя энергии — АТФ (Эмбден, Мейергоф, Кребс, Диккенс, Варбург и др.). Важную роль в обосновании ме­ханизмов превращения углеводов сыграли работы советских биохимиков В. А. Энгельгардта, Я. О. Парнаса, Л. А. Иванова и др.

Было выделено в кристаллическом виде большое число ферментов, установ­лено их строение, изучены механизмы ферментативных реакций и их регуляция (А. Е. Браунштейн, С. Е. Северин, В. Н. Орехович, С. С. Дебов; Б. ф, Коров- кии, Самнер, Кунитц, Михаэлис, Кошленд, Линен и др.). Благодаря внедрению метода ре'нтгеноструктурного анализа и созданию аминокислотных анализато­ров была расшифрована линейная структура инсулина (Сенджер, 1953), пеп­тидов вазопрессина и окситоцииа (Виньо, 1953) и трехмерные структуры бел­ков — миоглобина (Кендрю, 1960), гемоглобина (Перутц), лнзоцима (фил- липс) и др. Исследования отечественных биохимиков занимают ведущее место в изучении структуры и функции белков системы свертывания крови (А А. Шмядт, А. А. Белицер, Б. А. Кудряшов, Д. М. Зубанров). В 1937 г. выдающийся со­ветский биохимик А. Е. Браунштейн совместно с М. Г. Крицман открыли фер­менты трансаминирования аминокислот, что положило начало изучению новых.путей превращения азотистых соединений в организме. Эти исследования были развиты впоследствии в трудах С. Р. Мардашева, С. Я- Капланского, Т. Т. Бе- резова, А. Я- Николаева и др.

Необходимо особо отметить работы отечественной школы биохимии, осно­ванной акад. В. С. Гулевичем. Его исследования были посвящены необыч­ным азотсодержащим соединениям мышечной ткани — дипептидам карнозину и ансерину, содержащим 0-аланин. Эти работы были продолжены акад. С. Е. Се-' вериным, внесшим существенный вклад не только в изучение механизма действия дипептидов, но и в разработку различных проблем эизимологни, регуляции ферментов и мультнфермеитных комплексов, биоэнергетики.

В начале XX в. формируется новое направление в биохимии — биоэнер­гетика. Механизм освобождения энергии из питательных веществ связывался с биологическим окислением. Еще а 1897 г. выдающийся русский ученый, впо­следствии основатель советской биохимии А. Н. Бах выдвинул теорию перекис- ного окисления веществ молекулярным кислородом, которая дала толчок к исследованиям в области тканевого дыхания и, по существу, явилась блестящим предвидением нового пути окисления органических веществ в микросомах. В 1921 г. Бах организовал в Москве Научно-исследовательский биохимиче­ский институт Народного комиссариата здравоохранения (впоследствии реор­ганизованный в Институт биохимии Академии наук СССР), который сейчас носит его имя.

Другой выдающийся советский биохимик акад. В. И. Палладии обосновал значение дегидрирования субстратов в тканевом дыхании. В 1931 г. Энгель- гардт открыл явление окислительного фосфорилнрования.

Значительную роль в формировании представлений о механизмах дыхания и образования энергии сыграли исследования советского биохимика В. А. Бе- лицера, Энглера, Варбурга, Кейлнна, Кребса, Липмана, Ленинджера, Чанса, Рэкера и др. Впоследствии Н. А. Энгельгардт совместно с М. Н. Любимовой (1939—1942) изучили АТФазную активность основного белка мышц актомио- зина, т. е. обнаружили возможность механохимического сопряжения.

В 1961 г. английский биохимик Митчелл выдвинул гипотезу химико- осмотического сопряжения в биоэнергетике, в обосновании которой сыграли большую роль работы советского биохимика В. П. Скулачева.

В первой четверти XX в. акад. А. И. Опарин заложил основы эволюцион­ной биохимии, выдвинув теорию происхождения жизни на Земле.

Важное место в раскрытии тайн живой материи заняли исследования по выделению, изучению структуры и механизма действия гормонов — специ­фических регуляторов обмена веществ. Этим исследованиям посвящены работы Н. А. Юдаева, В. С. Ильина, Я. X. Туракулова, Ю. А. Панкова и др.

В 40-х годах нашего столетия вновь возрождается интерес к открытым в XIX в. нуклеиновым кислотам в связи с поиском химических веществ — носителей наследственности. В 1953 г. Крик и Уотсон открыли вторичную струк­туру ДНК, что позволило понять принципы передачи наследственной инфор­мации.

Это открытие фактически знаменовало рождение нового направления в биохимии — молекулярной биологии, изучающей молекулярную основу фунда­ментальных свойств нсивой материи и, в частности, молекулярные основы наследственности. В развитии и становлении этой науки исключительное зна­чение имели работы школы акад. А. Н. Белозерского, который создал совет­скую школу молекулярных биологов. Его ученик А. С. Спирин внес существен­ный вклад в развитие биохимии и в раскрытие механизма синтеза белка на рибосрмах. Советский биохимик А. А. Баев установил структуру одной из г-РНК, участвующей в синтезе белка.

В 1961 г. Ниренберг и Маттеи открыли генетический код, а Жакоб и Мо- но — механизм регуляции синтеза белка у бактерий. В 1967 г. Корнберг впервые осуществил синтез ДНК вируса в пробирке, а в 1970 г. X. Корана синтезировал искусственный ген. Так в 70-х годах молекулярная биология дала начало генной инженерии; занимающейся химическим конструированием генов, пере­садкой их в клетки и исправлением генетических дефектов.

Достижения биохимии широко применяются в различных областях народ­ного хозяйства, медицине н фармации. Уже сейчас ведутся, и небезуспешно,

го опыты по выведению высокопродуктивных пород животных и получению цен­ных растений с помощью методов генной инженерии. Предприняты попытки пересадить группу генов «азотфиксации», которые имеются у клубеньковых бактерий, высшим растениям (пшенице, кукурузе), чтобы растения сами могли удваивать азот воздуха. Это позволит существенно уменьшить расход азот­ных удобрений, которых в мире производится порядка 50 млн. т. Хотя завер­шение проекта по пересадке генов «азотфиксации» — дело будущего, но уже сей­час получены первые положительные результаты в этом направлении.

Благодатным объектом для биохимика являются микроорганизмы, био­химические процессы которых можно изменить или'пересадкой нужных генов, или модификацией их собственных. Новые штаммы микроорганизмов приме­няют в производстве дешевого кормового белка к незаменимых аминокислот для сельскохозяйственных животных, причем в качестве питательной среды для та­ких микроорганизмов часто используют дешевые парафины нефти. Получают также прекрасные биологические препараты для защиты растений от вредителей, безвредные для человека и животных. Существенные практические результаты дают биологические способы переработки промышленных и бытовых отходов, очистки морей от нефтяных продуктов и т. д. (с помощью специально выве­денных мутантов бактерий). Широко используются биохимические процессы в пищевой промышленности (приготовление хлебопродуктов, сыра, виноделие и т. д.), кожевенной и др.; выпусхаются даже стиральные порошки с добав­ками ферментов.

В фармацевтической практике биохимия завоевывает все новые позиции. Биологичесюге катализаторы — ферменты применяются в промышленности при синтезе лекарственных средств (например, стероидных гормонов). С помощью метода генной инженерии разрабатывают перспективные способы производства природных лекарственных препаратов. Знание биохимии микроорганизмов поз­волило создать удобные, экономичные способы промышленного синтеза ле­карственных препаратов (аминокислот, нуклеотидов, иуклеозидов, витаминов, антибиотиков и т. д.). Разработаны быстрые и специфичные методы анализа лекарств с использованием ферментов в качестве аналитических реагентов.

Немаловажное значение для практики имеет знание механизма действия лекарств. Изучение превращения лекарств ферментными системами клеток позво­ляет разработать правильный режим дозировки применяемых средств, регули­ровать превращение их в организме и понять природу действующего начала, т. е. чем обусловлен эффект — исходным веществом или продуктом его обмена.

Проникновение в тайны живого, понимание сложнейших процессов, необы­чайно легко осуществляемых живой природой, открывает перед человечеством огромные перспективы.

Основные признаки живой материи

Клетка как простейший представитель живого мира и многоклеточные живые организмы состоят из химических веществ, которые по своим свойствам сходны с аналогичными соединениями неживой природы. Вместе с тем живую материю отличают от неживой качественно новые признаки. В известном обобщении Ф. Энгельса о сущности жизни очень точно подмечены два характерных ка­чества живых существ: ведущая роль белков в процессах жизнедеятельности ' и необходимость постоянного самообновления веществ (обмена с окружающей

п

средой). Однако на современном этапе знаний тезис Ф. Энгельса о сущности жизни требует уточнений, ибо в нем, например, не могла быть учтена роль нук­леиновых кислот, о которых в то время было мало известно.

Рассмотрим основные признаки живого организма, отличающие его от неживого, и важнейшие химические вещества и физико-химические процессы, которые их обеспечивают. К этим признакам относятся:

1) высокий уровень структурной организации (упорядоченность);

2) способность к эффективному преобразованию и использованию энергии;

3) обмен с окружающей средой и саморегуляция химических превращений;

4) самовоспроизведение, или передача наследственной информации.

Высокий уровень структурной организации (упорядоченность). Если клет­ку разобрать на отдельные молекулы,, а затем расположить их по степени слож­ности, получится своеобразная шкала уровней организации клетки (сх. 2).

Схема 2. Уровни молекулярной организации и

, юи-ярц

Органеллы («Про. митохондрии, лизосомы)

>

, * 1 дальтон равен 7, _а массы атома изотопа ^|2С, или 1, 66! • Ю^-" i. Масса молекула, выраженная в Дальтонах, численно равна ее молекулярной массе. Дильтоны удобно использо­вать для обозначения массы таких структур, как рибосомы, хромосомы, митохондрии, вирусы и целые клетки, к которым неприменим термин «молекулярная масса>.

У начала шкалы стоят низкомолекулярные предшественники клеточных ком­понентов: N, Н₂0, С0₂, 0₂, Р, S и еще ряд природных элементов, получаемых, из окружающей среды (атмосферы и земной коры). Из этих в.еществ через промежуточные соединения (такие, как ацетат, кетокислоты и другие органи­ческие кислоты, аммиак, карбамоилфосфат и т. д.) образуются в ходе жизне­деятельности клеток биологические молекулы, называемые строительными блока­ми или биологическими мономерами. Эти органические соединения, имеющие среднюю молекулярную массу, являются структурными блоками макромолекул. Биологическими мономерами можно назвать аминокислоты, мононуклеотнды, моносахариды, жирные кислоты, глицерин, в также некоторые органические спирты (холин, инозит и др.). Биологические мономеры, соединяясь друг с другом в разных сочетаниях, дают макромолекулы, или биополимеры, имеющие большую молекулярную массу и отличающиеся большим разнообразием. Например, из 20 аминокислот образуется до 10¹² разных белков, из 5 моно- нуклеотидов — до Ю¹⁰ разновидностей нуклеиновых кислот и т. д.

Промежуточное положение между мономерами и макромолекулами зани­мают макроциклические соединения (гем, хлорофилл, цианкобаламин), ви­тамины и коферменты, которые по молекулярной массе ближе к мономерам, но не являются, подобно последним, строительными блоками макромолекул..

Макромолекулы способны соединяться друг с другом, образуя смешанные макромолекулы (например, липопротеиды, иуклеопротеиды, гликопротеиды, гликолипиды, гемпротеиды и т. д.). У макромолекул уже появляется способ­ность к выполнению ряда функций (способность к катализу, самокопирова­нию), которые можно отнести к элементарным проявлениям жизнедеятель­ности.,

Взаимодействие макромолекул (простых и смешанных) формирует надмо­лекулярные структуры, или комплексы (например, рибосомы, сократительные структуры, полиферментные комплексы). Следующая ступень организации — органоиды (митохондрии, ядро, лизосомы и т. д.), которые отличаются от­носительной автономностью в выполнении специальных функций, определяю­щих существование клетки (например, митохондрии участвуют в производстве энергии, лизосомы — в переваривании веществ). Наконец, система органоидов образует клетку.

Переход от простых биомолекул к сложным биологическим структурам основывается на физико-химических принципах самоорганизации. В основе самоорганизации лежат химические взаимодействия между молекулами, входя­щими в состав живой материи. КовалеИтные связи обеспечивают все многообразие простых биомолекул и макромолекул. Укладка макромолекул в пространстве и организация надмолекулярных структур, органоидов и клетки осуществляется с участием слабых связей' (водородных, ионных, ван- дер-ваальсовых). Если ковалентные связи обусловливают прочность и устой­чивость биологических молекул, то слабые обеспечивают подвижность (дина­мичность) биологических структур. Более сложная организация объясняет явления живой природы и отличия живой материи от неживой.

Способность к эффективному преобразованию и использованию энергии. Структурная организация (упорядоченность) в природе тесно связана с зако­нами термодинамики. На первый взгляд упорядоченность структуры живых ор­ганизмов противоречит второму закону термодинамики, согласно которому процессы, происходящие в любой изолированной системе, направлены- вЧсторо- ну увеличения ее беспорядка, или энтропии (энтропия — мера неупорядочен­ности системы). Иначе говоря, живые организмы в отличие от неживой при­роды «антиэнтропийны». Эта уникальность живой материи не исключает ее подчинения законам термодинамики. Живые организмы постоянно обменива­ются с окружающей средой энергией и веществом, т. е. являются открытыми системами, поэтому энтропийная закономерность, справедливая для закрытых (изолированных) систем, для них нехарактерна. Для поддержания структурной упорядоченности живые организмы постоянно расходуют энергию. Подчиняясь первому закону термодинамики (согласно которому энергия не возникает из ничего и не уничтожается, она лишь переходит из одного состояния в другое), они потребляют энергию из окружающей среды, преобразуют ее в удобную для использования форму и возвращают эквивалентное количество энергии в окружающую среду в форме, малопригодной для применения. Так, клетки, получая из внешней среды энергию в виде квантов света (фотосинтезирующне организмы) или химическую энергию органических и неорганических веществ (прочие организмы), преобразуют ее в электрическую и энергию химических связей аденозинтрифосфата (АТФ). Электрическая энергия и энергия, заклю­ченная в химических связях АТФ, используется клеткой для совершения работы. В окружающую среду живой организм отдает тепловую, бесполезную для него энергию. В результате этого растет энтропия окружающей среды.