Состав молекул отдельных соединений очень различен. Простая молекула воды состоит из трех атомов, тогда как молекулы белков могут содержать 100 000 и более атомов.

Не следует забывать, что атомы элементов, так же как и молекулы, состоящие из этих атомов, крайне малы — во много раз меньше, чем клетки всех известных нам живых организмов. Так, если бы мы увеличили молекулу водорода, состоящую из двух атомов, в 5 000 000 раз, то получили бы шарик диаметром всего около 1 мм. Увеличенная во столько же раз молекула глюкозы (состоящая из 24 атомов) имела бы диаметр 3,5 мм, молекула гемоглобина, окрашивающего кровь в красный цвет, достигала бы 2,75 см, вирус гриппа — 50 см, клетка самой маленькой бактерии — 1 м, клетка дрожжей — 20 м, а красное кровяное тельце человека — до 40 м.

Исследование организмов в природе все больше убеждает нас, что жизнь тесно связана с определенными структурами соединений и что малейшие изменения в строении молекул этих веществ часто имеют важные биологические последствия. Альберт Сент-Дьёрди, выдающийся венгерский биохимик, открывший витамин С, дает следующее определение живой материи: «Живая материя представляет собой своего рода систему из воды и органических соединений, которые, подобно зубчатым колесикам часового механизма, составляют единое целое».

В клетках бактерий содержится 75–90 % воды, остальное составляют прочие соединения. Отчего вода имеет такое огромное значение в жизни микробов? В клетку бактерии не сможет проникнуть мельчайший кристаллик сахара, если он не будет растворен в воде до отдельных молекул. В клетке протекает множество различных химических процессов. Одни сложные вещества разлагаются, другие образуются из более простых соединений; вода же является той необходимой средой, в которой только и могут осуществляться все эти химические реакции.

Гораздо сложнее молекул воды и менее доступны для химического изучения макромолекулы белков. Еще начиная с первой половины прошлого века естествоиспытатели справедливо считали белки одним из главных слагаемых живой природы.

Они играют самые разнообразные роли. Белки являются структурными элементами клеток, а вместе с тем и живого организма в целом. Они исполняют функции биохимических катализаторов, которые обусловливают, направляют и ускоряют почти все химические реакции, происходящие в живой природе. Эту группу белков объединяют под общим названием ферментов. Некоторые белки являются важными регуляторами жизненных процессов в нашем организме, их относят к гормонам.

Макромолекулы белков обеспечивают жизнь, но есть среди них и такие, которые убивают ее. Так, токсины некоторых растений, животных и бактерий в основном представляют собой белки, причем, как мы увидим далее, наиболее ядовитые из них — бактериальные токсины.

Интересны белки и своим химическим строением.

Схема соединения аминокислот в полипептиды, напоминающие по форме альфа-спираль. Атомы химических элементов обозначены буквенными символами: С — углерод; Н — водород; О — кислород; N — азот; R — радикалы, различные у разных аминокислот.

При исследовании химической структуры белков оказалось, что основными структурными единицами их макромолекул являются аминокислоты; это открытие послужило важным шагом на пути к их познанию. Теперь нам известно уже 20 таких структурных единиц.

Итак, первый факт, осветивший нам качественную сущность таинственных белков, заключался в том, что они состоят из отдельных аминокислот.

Дальнейшим шагом были попытки установить количественные соотношения аминокислот в молекулах различных белков. Но достигнутый в этом отношении успех еще не говорил нам о том, как именно связаны между собой аминокислоты. Комбинации их различных сочетаний могут быть чрезвычайно многочисленны!

Из 20 аминокислот может возникнуть такое количество сочетаний, столько отличных друг от друга белковых макромолекул, что на их создание не хватило бы и всей массы нашей планеты. Именно эта многоликость белков и обеспечивает, по-видимому, огромное разнообразие живой природы.

Современной науке оказывается по плечу и более трудная задача — установить характер расположения аминокислот в молекулах белков. В этом направлении первым успехом было раскрытие структуры гормона инсулина. Английский биохимик Ф. Сенджер точно установил распределение аминокислот в молекуле инсулина, выделенного из организма крупного рогатого скота, и доказал, что она состоит из двух равных частей. В каждой из них имеется два пептида — А и В, соответственно содержащих 21 и 30 аминокислотных остатков. Цепи А и В дважды связаны между собой дисульфидами. В настоящее время уже известны структура инсулина, содержащегося в организме человека, и строение некоторых других белков.

Не менее важен для жизни человека и такой белок, как гемоглобин. Без него не мог бы протекать один из основных жизненных процессов — дыхание.

Молекула гемоглобина теперь хорошо изучена. Нам известно, что она содержит 3032 атома углерода, 4816 атомов водорода, 872 атома кислорода, 780 атомов азота, 8 атомов серы и 4 атома железа (всего 9512 атомов различных элементов); мы знаем также точное расположение аминокислот в молекуле гемоглобина, ее так называемую третичную структуру, которая определяет пространственное расположение всех 9512 атомов.

Познание пространственного распределения белковых макромолекул позволит в ближайшем будущем еще глубже понять их разнообразные биологические функции.

В живой природе мы находим и другую группу очень важных макромолекул, привлекающую в последние годы все большее внимание биологической науки. Это нуклеиновые кислоты.

Первые сведения о них получил почти сто лет назад швейцарский биохимик Фридрих Мишер. Из клеточных ядер спермы лосося он выделил вещество, названное им нуклеином, которое, как оказалось, содержало пять биогенных элементов: углерод, водород, кислород, азот и фосфор. Теперь это вещество мы называем нуклеиновой кислотой.

Макромолекулы нуклеиновых кислот могут быть двух типов: дезоксирибонуклеиновая кислота, или ДНК, и рибонуклеиновая кислота, или РНК[6].

ДНК находится в основном в клеточном ядре (а в малых количествах также в митохондриях и хлоропластах), тогда как РНК встречается и в ядре и в цитоплазме. Этот факт находится в тесной связи с различными функциями нуклеиновых кислот, о которых речь еще впереди.

Узнаем мы также о предназначении и роли ферментов и познакомимся с химическим характером некоторых других соединений, играющих на арене жизни очень важные роли.

Благодаря биофизике — одной из отраслей науки, с которой мы уже познакомились в начале этой главы, — были получены весьма интересные данные. Возьмем, например, шаровидную бактериальную клетку диаметром 0,5 мкм. Поверхность такой клетки будет равна 0,0000000079 см², объем — 0,000000000000065 см³, а вес — 0,000000000000069 г. Из общего ее веса 75 % приходится на воду, остальное представляет сухое вещество весом 0,0000000000000172 г, в которое входят: белки — 53 % сухого вещества, сахара — 16 %, нуклеиновые кислоты—18 %, жиры — 10 % и остальные мелкие молекулы — 3 %. Молекулы соединений, составляющих сухое вещество бактериальной клетки, представлены 40 типами структурных элементов, перечень и количественное соотношение которых даны в таблице 3.

Все эти структурные элементы входят в состав различных химических соединений, которые вместе с простыми и сложными белками образуют клеточную стенку и цитоплазматическую мембрану, а вместе со сложными сахарами, жирами и белками имеются и в рибосомах. В одной только клетке насчитывается до 5000 рибосом, и в них, как известно, протекает синтез новых белковых молекул, Кроме того, в клетке имеется еще около 150 000 свободных молекул белков, причем большую часть из них составляют ферменты, направляющие все химические реакции. К перечисленному следует добавить, что клетка имеет еще около 8 500 000 более простых молекул, которые служат связующими звеньями или являются продуктами обмена веществ, а также около 5 000 000 молекул неорганических соединений.