Основные признаки живой материи

ПРЕДИСЛОВИЕ

Знакомство с биологической химии имеет большое зна­чение, прежде всего, для формирования отчетливого понимания жизненных процессов.

Современные достижения биохимии в раскрытии молекулярных механизмов живой природы позволяют понять физико-химические основы жизнедеятельно­сти, биоэнергети­ки, обмена веществ, саморегуляции биохимических процессов в организ­ме.

Данное учебное пособие предназначено для подготовки студен­тов по направлению «Экология и природопользование», но может быть использовано также студентами других специаль­ностей при изучении курса общей биохимии, разделов органической химии посвященных биоорганическим соединениям. При написании данного учебного пособия автор исходил из того, что студенты, начинающие изучать биохимию, уже знакомы с вопросами общей и органической хи­мии. Поэтому из огромного материала выбраны основные темы и вопросы, позволяю­щие дать студенту общие представления о молекулярных основах жизни.

Данное учебное пособие придерживается антропоцентрического принципа, все вопросы общей биохимии рассматриваются, прежде всего, в приложении к орга­низму человека, но в сравнении с другими живыми организмами всех уровней организации. Учебное пособие построено таким образом, что обеспечивает постепенность перехода от более простых вопросов стати­ческой биохимии к более сложным вопросам динамической биохимии, включающим иногда и некоторые аспекты биохимии функциональной. Поэтому в первой части пособия рассмотрены основные признаки и хи­мический состав живых организмов; даны современные представления о строении, свойствах и биологических функциях белков, углеводов, нук­леиновых кислот, липидов, ферментов, витаминов, коферментов, гормо­нов. Далее во второй части рассматриваются основные вопросы обмена веществ и энергии, биологического окисления; обмена углеводов, липи­дов, нуклеиновых кислот, белков и водно-солевого обмена, молекуляр­ные основы переноса информации, регуляции биохимиче­ских процессов, а также биохимические функции отдельных органов и тканей.

Учебное пособие содержит таблицы и рисунки, а также боль­шое количество реакционных схем, структурных формул и химических названий, так как, не зная химического строения биоорганических ве­ществ и сущности их химических превращений, невозможно понять их биологическую роль и физиологическое значение при рассмотрении функциональной активности органов и тканей.

ВВЕДЕНИЕ

Предмет и задачи биохимии

Биологическая химия - сравнительно молодая наука. Как само­стоятельная научная дисциплина она возникла в конце XIX века, когда в ряде университетов были созданы кафедры био­химии, написаны учебники по этому предмету, а курс биохимии стал не­пременной составной частью подготовки биологов и медиков, специалистов пищевой индустрии.

Биологическая химия - наука о молекулярных основах жизни, изучающая химическую природу веществ, входящих в состав живых организмов, их превращения, а, также связь этих превращений с деятельностью органов и тканей, изменениями в окружающей среде.

В зависимости от подхода к изучению живых организмов, биохимию делят на три крупных раздела:

1) статическая биохимия;

2) динамическая биохимия;

3) функциональная биохимия.

Статическая биохимия изучает качественный состав и количест­венное содержание соединений, входящих в состав биоло­гических объектов.

Динамическая биохимия изучает всю совокупность превращений химических соединений и взаимосвязанных с ними превращений энергии в процессе жизнедеятельности организмов.

Функциональная биохимия изучает связь между строением хи­мических соединений, их превращениями, с одной стороны, и функцией тканей или органов, содержащих эти вещества, - с другой стороны.

Вышеназванные три раздела биохимии неразрывно связаны между собой, так как в живом организме состав и строение веществ неот­делимы от их преобразований, а также и от функций органов, в ко­торых эти вещества содержатся. Но в методологическом плане такое деление удобно, так как, с одной стороны, отражает историю развития биохимии, а с другой - позволяет постепенно, перейти при изучении кур­са от более простых вопросов к более сложным.

В зависимости от объекта исследования биологическую химию делят на целый ряд направлений.

Общая биохимия - рассматривает закономерности содержания и преобразования в процессе жизнедеятельности организмов химических соединений, общих для живой материи в целом. Несмотря на биохимиче­ское единство всего живого, в животных, растительных и микроорганиз­мах существуют и коренные различия, прежде всего в характере обмена веществ. Обмен веществ или метаболизм - совокупность всех химических реакций, протекающих в клетках организма (рис. Стр 117), направленная на сохранение и са­мовоспроизведение живых систем. Вышеизложенное объясняет сущест­вование помимо общей биохимии и некоторых других направлений био­логической химии.

Биохимия животных - изучает состав животных организмов и превращение в них веществ и энергии.

Биохимия растений - исследует состав растительных организмов и процессы метаболизма в них.

Биохимия микроорганизмов - занимается составом и превраще­нием веществ в микроорганизмах.

Медицинская биохимия (биохимия человека) - включает в себя все общебиохимические направления, но в той их части, которая имеет отношение к здоровью и болезням человека, то есть она изучает состав и превращения веществ в организме человека в норме и патологии.

Фармацевтическая биохимия занимается разработкой новых ле­карственных препаратов; вопросами стандартизации и контроля качества лекарств, метаболизма их в организме.

Сравнительная биохимия - сопоставляет состав и пути превра­щений веществ у организмов различных систематических групп, в том числе и в эволюционном аспекте.

Техническая биохимия - исследует состав важнейших пищевых продуктов и изучает процессы, происходящие при их производстве и хранении.

Таким образом, биохимия в целом изучает химические и физико-химические процессы, результатом которых являются развитие и функ­ционирование живых систем всех уровней организации. Главной задачей для биохимии является выяснение функционального (биологического) назначения всех химических веществ и физико-химических процессов в живом организме, а также механизма нарушения этих функций при раз­ных заболеваниях.

Биохимия имеет огромное теоретическое и практическое значе­ние, особенно велико ее значение в биологии, так как управление жиз­недеятельностью любого организма (человека, животного, растения, микробов) невозможно без расшифровки в достаточной мере набора, строения и свойств химических соединений в его составе, а также без выяснения закономерностей их превращений в процессе жизнедеятель­ности организма.

Кроме того, в биохимии, а именно биоорганической химии, исхо­дя из функций отдельных веществ в организме и механизма их действия разрабатываются принципы создания синтетических биоактивных соеди­нений, т.е. веществ, определенным образом изменяющих функции орга­низма. На базе известных микроорганиз­мов путем пересадки новых или модификации уже имеющихся генов соз­даются новые штаммы микроорганизмов, которые применяют для произ­водства дешевого кормового белка и незаменимых аминокислот. При этом в качестве питательной среды для таких микроорганизмов часто используют парафины нефти. Разработаны биологические спо­собы переработки промышленных и бытовых отходов, очистки морей от нефтепродуктов с помощью специально выведенных мутантов бактерий. Биологические катализаторы - ферменты применяются в фармацевтиче­ской промышленности для синтеза лекарств. Опять же с помощью мик­роорганизмов и методов генной инженерии созданы экономичные спосо­бы промышленного производства лекарственных препаратов - аминокис­лот, нуклеотидов, нуклеозидов, витаминов, антибиотиков и др. Разрабо­таны быстрые и специфичные методы анализа лекарств с использовани­ем ферментов в качестве аналитических реагентов.

Таким образом, биохимия является фундаментом для решения важнейших вопросов производства продовольствия, медицины, экологии. Закономерности распада и синтеза химиче­ских соединений в природных условиях используются в про­мышленности и защите окружающей среды.

Основные признаки живой материи

Основными признаками, отличающими живой организм от нежи­вого, являются следующие: 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. Рассмотрим отдельно каждый признак.

1. Высокий уровень структурной организации (упорядо­ченность). Если клетку разобрать на отдельные молекулы, а затем рас­положить их по степени сложности, получится своеобразная шкала уров­ней организации клетки (См. ниже рисунок иллюстрирующий иерархию живой материи).

Переход от простых биомолекул к сложным биоструктурам осно­вывается на физико-химических принципах самоорганизации, в основе которой лежат химические взаимодействия между молекулами в составе живой материи. Ковалентные 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 и ван-дер-ваальсовых). Ковалентные связи обу­словливают прочность и устойчивость биомолекул, а слабые связи обес­печивают лабильность биоструктур. Более сложная организация объяс­няет явления живой природы и отличия живой материи от неживой.

Рис. Иерархия структурной биохимической организации живой материи

2. Способность к преобразованию и использованию энергии. Структурная организация (упорядоченность) живой природы связана с законами термодинамики. На первый взгляд, упорядоченность структуры живых организмов противоречит второму закону термодина­мики, согласно которому в изолированной системе спонтанные процессы происходят в направлении увеличения энтропии (беспорядка). Энтропия вселенной стремится к максимуму. Но под "вселенной" подразумевается система и ее окружение. Это важно подчеркнуть, так как энтропия системы может спонтанно уменьшаться до тех пор, пока окружающая среда может это скомпенсировать. Этим объясняется антиэнтропийность жи­вых организмов, являющихся открытыми системами (обмен с окружаю­щей средой веществом и энергией). Живые существа - очень упорядо­ченные структуры с низкой энтропией, однако они растут и поддержива­ют жизнь в силу того, что при их метаболизме генерируется избыток эн­тропии в окружающей среде.

Для поддержания структурной упорядоченности живые организ­мы постоянно расходуют энергию. Подчиняясь первому закону термоди­намики, они потребляют энергию из окружающей среды, преобразуют ее в удобную для использования форму и возвращают эквивалентное коли­чество энергии в окружающую среду в форме теплоты. Обмениваясь с внешней средой энергией и веществом, клетка является открытой нерав­новесной системой. Если бы эти процессы пришли в состояние равнове­сия, то упорядоченность клетки не могла бы поддерживаться за счет ок­ружающей среды, и она бы погибла.

3. Обмен с окружающей средой и саморегуляция химиче­ских превращений. Поступающие в клетку вещества используются как источник энергии и как строительный материал. Для построения нужных организму молекул поступающие извне вещества подвергаются хими­ческим превращениям. Продукты этих превращений, т.е. продукты обме­на, выводятся из организма во внешнюю среду. Биологические катализаторы белковой природы - ферменты - обеспечивают высокую скорость катализа, специфичность химических превращений и, самое главное, их саморегуляцию. Отсутствие в неживых объектах белков, в том числе и белков - ферментов, исключает у них возможность специфического об­мена веществ и саморегуляцию химических превращений.

4. Самовоспроизведение, передача наследственной ин­формации. Самым уникальным признаком живых организмов, полно­стью отсутствующим в неживой природе, является способность к само­воспроизведению. Все многообразие живых существ определяется на­следственной программой, заложенной в нуклеиновых кислотах. Генети­ческая информация хранится в дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК). Особенностью ее строения является потенциальная возможность самоко­пирования и, следовательно, передачи наследственных признаков от одного поколения организма к другому. Информация, заложенная в ДНК, реализуется через рибонуклеиновые кислоты (РНК) в структуре соответ­ствующего белка. При этом процесс передачи наследственной информа­ции не может происходить без белков. Очевидно, с образованием в ходе эволюции белков и нуклеиновых кислот сформировались первичные жи­вые организмы.