Биохимические составляющие живого вещества

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА И ГОСУДАРСТВЕННОЙ СЛУЖБЫ

ПРИ ПРЕЗИДЕНТЕ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ» Брянский филиал

Кафедра менеджмента государственного и муниципального управления

Направление подготовки 081100.62 – Государственное и муниципальное управление

РЕФЕРАТ

Биохимические составляющие живого вещества

по курсу «Концепции современного естествознания»

Студент:

Шешера М.И.

группа ГОО-13/2

Преподаватель:

Просянников Е.В.,

Доктор с\х наук,

профессор

Брянск 2015

Содержание

Введение

Все экологические процессы протекают в системах, включающих в свой состав живое вещество, поэтому важно уметь отличать живое вещество от других видов веществ (неорганических, косных, биокосных и др.). В введении я хотела бы раскрыть определение живого вещества, а так же его уровни, виды и характеристики.

Целью моей работы является определить что же такое живое вещество и его основные состовляющие.

Итак, что же такое живое вещество? Живое вещество — это то, что образует совокупность тел всех живых организмов независимо от их принадлежности к той или иной систематической группе. Общая масса (в сухом виде) живого вещества на планете Земля составляет (2,4-3,6) * 1012 тонн.

Живое вещество неотделимо от биосферы Земли и является его функцией, а также одной из самых могущественных геологических сил на планете Земля. Оно представляет собой неразрывное молекулярно-биологическое единство, системное целое с характерными признаками, общими для всей эпохи его существования, а также для каждой отдельной геологической эпохи. Уничтожение отдельных компонентов живого вещества может привести к нарушению системы в целом, т. е. к экологической катастрофе и гибели системы живого вещества в целом.

Рассмотрим некоторые наиболее общие признаки живого вещества вне зависимости от геологической эпохи его существования.

1. Система, состоящая из живого  вещества (организм), способна к росту, т. е. она увеличивается в размерах.

2. Организм (живой) в течение времени  своего существования сохраняет  свои наиболее типичные признаки  и способен передавать эти  признаки по наследству, т. е. является  носителем и передатчиком информации.

3. Живой организм в процессе  своей жизни способен к развитию, которое делится на два периода  — эмбриональное и постэмбриональное.

4. Живое вещество как отдельный  организм, способно к размножению, благодаря чему обеспечивается  существование данного вида в  течение длительного (с исторических  позиций) времени.

5. Для живого вещества характерен  направленный обмен веществ.

Уровни организации живого вещества.

Живое вещество как совокупность всех организмов, живущих на Земле, состоит из нескольких царств (Прокариоты, Животные, Растения, Грибы), которые находятся в сложных взаимоотношениях. Живое вещество имеет сложное строение и разные уровни организации. Рассмотрим некоторые из них в порядке усложнения.

1. Молекулярно-генный (суборганизменный) — особая форма организации  живого, присущая всем без исключения  организмам, представляющая собой  совокупность различных органических  и неорганических веществ, связанных  между собой определенной структурой  и системой биохимических процессов, позволяющих сохранять данную  совокупность соединений как  целостную систему, способную к  росту, развитию, самосохранению и  размножению в течение всего  времени существования этого  организма, т. е. до смерти.

2. Клеточный — все живое (кроме  неклеточных форм жизни) образовано  особыми структурами — клетками, которые имеют строго определенное  строение, присущее как организмам  из царства Растения, так и  организмам из царств Животные  и Грибы; некоторые организмы  состоят из одной клетки, поэтому  такие организмы при клеточном  уровне соответствуют и новому  уровню организации — организменному (см. пятый уровень организации).

3. Тканевый — характерен для  сложных многоклеточных организмов, у которых произошла специализация  клеток по выполняемым функциям, что привело к образованию  тканей — совокупности клеток, имеющих одинаковое происхождение, близкое строение и выполняющих  одинаковые или близкие по  характеру функции; различают растительные  и животные ткани так, у растений  выделяют покровные, основные, механические, проводящие ткани и меристемы (ткани роста); у животных —  покровные, нервные, мышечные и соединительные  ткани.

4. Органный — у высокоорганизованных  организмов ткани образуют структуры, предназначенные для выполнения  определенных функций, которые называются  органами, а органы объединяются  в системы органов (например, желудок  входит в состав пищеварительной  системы).

5. Организменный — системы органов  объединены в единое целое — организм, при функционировании которого реализуется жизнедеятельность конкретного живого существа; известно, что в природе существует большое число одноклеточных организмов.

6. Популяционно-видовой — особи  одного вида образуют особые  группировки, живущие на данной  конкретной территории и занимающие  определенную экологическую нишу, которые называются популяциями, а популяции одинаковых организмов  образуют подвиды и виды.

7. Биогеоценотический — этот  уровень организации живого вещества  связан с тем, что на данной  территории проживает определенное  количество популяций различных  видов (как животных, так и растений, грибов, прокариотов и неклеточных  форм жизни), которые взаимосвязаны  друг с другом различными связями, в том числе и пищевыми.

8. Биосферный — это высший  уровень организации живого на  планете Земля, представляющий собой  всю совокупность живых существ, живущих на ней, которые взаимосвязаны  друг с другом планетарным  круговоротом химических элементов  и химических соединений; нарушение  этого круговорота может привести к глобальной катастрофе и даже к гибели всего живого.

Следовательно, 1-5 уровни организации характерны для отдельно взятого организма, а 6-8 — для совокупности организмов. Необходимо помнить, что человек — это составная часть живого вещества на планете Земля, но его деятельность из-за наличия разума значительно отличается от деятельности других организмов, и, тем не менее, он составная часть природы, а не ее «царь».

Краткая характеристика химического состава живого вещества1

Живое вещество представляет собой сложную систему биоорганических, органических и неорганических соединений. В составе живого вещества обнаружены практически все устойчивые химические элементы, известные человеку, но в разных количествах. Эти элементыподразделяют на биогенные и небиогенные, исходя из их роли в живых организмах.

Атомы химических элементов входят в состав химических соединений, которые могут быть органическими, биоорганическими и неорганическими.

Важнейшим неорганическим веществом, входящим в состав живых организмов, являетсявода. Кроме воды организмы могут содержать и другие неорганические вещества — соли, кислоты, основания.

Основу живого вещества составляют биоорганические и органические соединения. К биоорганическим веществам относят белки, нуклеиновые кислоты, витамины, жиры и углеводы. Эти вещества называют биоорганическими потому, что эти соединения вырабатываются в организмах и без этих веществ жизнь принципиально невозможна (особенно это относится к белкам и нуклеиновым кислотам). Примером органических веществ, входящих в состав живого вещества, являются органические кислоты (яблочная, уксусная, молочная и др.), мочевина и другие химические соединения.

Вид, его критерии и экологическая характеристика

Живое вещество в природе существует в виде отдельных дискретных таксономических единиц — видов (биологических видов).

Биологический вид (вид) — совокупность особей, обладающих общими морфофизиологическими признаками, биохимическим, генетическим (наследственным) сходством, свободно скрещивающихся друг с другом и дающих плодовитое потомство, приспособленных к сходным условиям существования, занимающих в природе определенный ареал (область распространения), т. е. занимающих одну и ту же экологическую нишу.

Виды образованы популяциями и подвидами (последнее характерно не для всех видов). Биологический вид характеризуется следующими критериями:

1) генетическим, т.е. все особи данного  вида обладают одинаковым набором  хромосом;

2) биохимическим, т. е. для всех особей  этого вида характерны одинаковые  химические соединения (белки, нуклеиновые  кислоты и др.), которые отличаются  от аналогичных соединений других  видов;

3) морфофизиологическим, т. е. организмы  одного вида имеют общие признаки  внешнего и внутреннего строения  и характеризуются одинаковыми  процессами, обеспечивающими их  жизнедеятельность;

4) экологическим, т. е. особи данного  вида вступают в одинаковые (отличные  от других видов) взаимоотношения  с природной средой;

5) историческим — особи данного  вида имеют одинаковое происхождение  и в процессе внутриутробного  развития проходят одинаковый  цикл этого развития согласно  биогенетическому закону;

6) географическим — особи данного  вида проживают на определенной  территории и приспособлены к  существованию на данной территории.

В науке «экология» широко используют следующие разновидности термина «вид».

1. Вид вредный — наносящий  человеку хозяйственный урон  или вызывающий заболевания; понятие  относительное, так как любой  вид, живущий на планете, занимает  определенную экологическую нишу  и выполняет определенную экологическую  роль; например, волк может наносить  большой урон хозяйственной деятельности  человека, но он является «санитаром»  природы, играет большую роль  в «отбраковке» нежизнеспособных  особей тех видов, которыми он  питается.

2. Вымерший вид — это вид, который исчез в результате  процессов эволюции, например, птеродактиль.

3. Вымирающий вид — такой  вид, свойства которого не соответствуют  современным условиям существования  и генетические возможности к  приспособлению к жизни в новых  условиях практически исчерпаны; такие виды могут сохраниться  только в результате полного  его окультивирования (заносится  в Красную книгу).

4. Исчезающий вид — вид организмов, находящихся под угрозой вымирания  за счет того, что численность  сохранившихся особей недостаточна  для воспроизводства вида, но  генетически вид имеет благоприятные  возможности для приспособления  к условиям внешней среды (заносится  в Красную книгу как вид, находящийся  под угрозой).

5. Охраняемый вид — вид, преднамеренное  нанесение вреда особям которого  и нарушение среды его обитания  запрещено определенными законодательными  актами разного ранга (международными, государственными, местными), например  соболь и др.

Структура вида состоит в том, что он образован отдельными особями, объединенными в популяции и подвиды. Наличие подвидов характерно только для тех видов, которые имеют большие ареалы, характеризующиеся разнообразными условиями.

Популяция — группа особей данного вида, способных к скрещиванию и производству полноценного потомства, проживающих на данной территории, имеющей естественные границы с другими территориями, что затрудняет скрещивание особей данной популяции с особями другой. Следует помнить, что экологической единицей вида является популяция.

Популяции разных видов, проживающих на данной территории, образуют биоценоз, в котором эти популяции связаны друг с другом различными связями, в том числе и пищевыми.

Биохимические составляющие живого вещества

1. Молекулы живой природы

Известно, что нет никаких различий в строении молекул элементов, образующих живую и неживую природу. Однако из известных к настоящему времени 111 химических элементов, встречающихся на Земле, в живых организмах встречается не так много — всего 16, причем четыре из них — водород, углерод, кислород и азот — составляют 99% массы живого вещества. Это связано с их физическими и химическими свойствами: валентностью и способностью образовывать прочные ковалентные связи между атомами. В живом организме происходят всевозможнейшие превращения разнообразных крупных молекул и их соединений, главным элементом которых является углерод. В основе клеточной химии лежат углеродные соединения, в которых атомы углерода связываются

ежду собой наиболее прочной из всех химических связей — ковалентной, обеспечивающей стабильность химического соединения (а значит, и стабильность живого организма).

Атомы углерода могут образовывать разветвленные длинные цепочки не только друг с другом, но и с атомами кислорода. Учитывая антропный принцип, можно не по распространенности, а по значению углерода для жизни) даже сказать, что мы живем в углеродной Вселенной. Поскольку ранее предполагалось, что молекулы углерода присущи только живому, соединения с углеродом получили название органических. Развитие химии и особенно работы русского химика Бутлерова по структурной химии привели к созданию органической химии, которая занимается изучением углерода и синтезом его соединений.

Напомним, что ядро углерода, по его положению в таблице Менделеева, содержит 6 протонов и 6 нейтронов, вокруг ядра вращается 6 электронов, масса атома равна 12. При различных химических реакциях углерод присоединяет 4 электрона и образует устойчивую оболочку из 8 электронов, т.е. обладает валент-

ностью, равной 4. В настоящее время соединений углерода известно гораздо больше, чем соединений всех остальных элементов Периодической таблицы Менделеева. Большая их часть не встречается в живых организмах.

Любопытно, что в неживой природе по распространению элементов на Земле углерод занимает лишь 16-еместо. В атмосфере Земли углерод составляет менее 0,01 массового процента, в гидросфере — около 0,002, в литосфере — около 0,1, причем в литосфере углерод распространен в 276 раз меньше, чем кремний. Вероятно, определяющим фактором того, что углерод стал главным строительным материалом живых организмов, является его функциональность в высокоорганизованных структурах. Кроме прочных ковалентных связей углерод образует с другими атомами и многоэлектронные связи, в том числе и гибкие лабильные связи, с различными энергиями их образования и способностью возникновения новых разнообразных связей, образуя длинные линейные и разветвленные цепи с очень большим их разнообразием. Атомы углерода могут выступать и как доноры, и как акцепторы, способствуя перемещению электронов в химических связях.

К другим важным для жизни макроэлементам относятся также сера S, фосфор Р, ионы натрия Na, кальция Са, магния Mg, хлора О, калия К, железа Fe. Эти элементы, так или иначе участвующие в жизнедеятельности, получили название органогенов. К микроэлементам относятся также медь Cu, марганец Mn, цинк Zn, кобальт Со, бор В, алюминий Al, кремний Si, молибден Мо, ванадий V, иод I. Они имеют важное функциональное значение — например, йод регулирует процессы обмена, атомы магния участвуют в образовании хлорофилла, железо входит в состав гемоглобина. В живом организме могут присутствовать также неорганические растворенные в воде организма соединения в виде минеральных веществ.

Напомним, что возникновение соединений обусловлено свободной энергией Гиббса2

— энергией образования молекул AG0. По определению, ∆G0 образования наиболее стабильной формы каждого элемента при стандартных условиях (Т = 298 К иp = 1 МПа) равна нулю. Если ∆G0 > 0, то образуемая форма не стабильна. При термодинамическом равновесии наиболее стабильному соединению соответствует отрицательное и наибольшее по абсолютному значению ∆G0. Для воды (Н2O) оно равно—224Дж/моль, для кварца (SiO2), основного компонента земной коры, ∆G0 =—768Дж/моль. Установлено, что все важнейшие молекулы аминокислот, углеводов и фосфатов при условиях, оптимальных для жизни, являются термостабильными. Этим и объясняется их широкое распространение не только на Земле, но и в Космосе.

Кроме углерода большое значение для жизненных процессов имеет фосфор, входящий в их соли — фосфаты, при расщеплении которых выделяется необходимая организму энергия. Поэтому, видимо, количество фосфора в живых организмах превышает его количество в любых других средах, исключая лишь литосферу.

2. Мономеры  и макромолекулы

Живые организмы образуются из всевозможных малых органических молекул — мономеров, которые при объединении создают макромолекулы; в биохимии их называют также биологическими молекулами, представляющими собой полимерные цепочки.

роцесс строительства биомолекул из мономеров обратим: макромолекулы могут разлагаться до мономеров, что происходит, например, в желудочно-кишечномтракте животных. Биомолекулы пищи распадаются домолекул-мономеров,которые затем всасываются в кровь и используются живым организмом для создания тех макромолекул, которые нужны именно этому организму.

Вбиохимии особую роль играют три класса малыхмолекул-мономеров:аминокислоты, нуклеотиды и моносахариды. Они служат теми «кирпичиками», из которых затем строятся полимерные биологические макромолекулы — белки, нуклеиновые кислоты и полисахариды. Размер мономеров 0,5 — 1 нм, в то время как макромолекулы достигают размеров от 3 до 300 нм. Диаметр атомов углерода, кислорода, азота и водорода, из которых в основном и состоят биологические молекулы, составляет около 0,4 нм; диаметр молекулы аминокислоты — 0,5 нм; диаметр небольшого белкового образования — 4 нм, хромосомы ~ 1 нм. Однако атомы в 100000 раз меньше клетки, а диаметр клетки в 100000 раз меньше человеческого роста. Английский ученыйДж. Кендрю  приводит такое сравнение: если увеличить дождевую каплю до размеров земного шара, то атом будет размером с человека, а его ядро — размером с бактерию.

Вдополнение к рис. 6.8 и 6.9 по масштабам макро- и микромира можно привести для сравнения характерные размеры и других объектов. Толщина человеческого волоса 0,1 мм, расстояние до линии горизонта на уровне моря 4 км, окружность экватора Земли 40000 км, расстояние до Луны всего в 10 раз больше экватора — 400000 км, до Солнца 1,5 · 108 км. Радиус Вселенной предполагают равным от 8 · 109до 2 · 1010 световых лет.

Исходя из атомных характеристик можно объяснить поведение и малых, и больших макромолекул. Органеллы, клетки и живые организмы являются просто совокупностями макромолекул. Применяя методы статистического описания элементарных единиц жизни на квантовом уровне, можно попробовать описать жизненные процессы как поведение атомов в рамках синергетического подхода. В этом смысле жизнь определяет квантовомеханическая динамика атомной структуры вещества живого организма.

Все живые организмы содержат четыре основных класса органических веществ — белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды. Рассмотрим кратко эти классы биополимеров.

3. Белки

Рис. 1.1. Структура белка-миоглобина.3

Широкий диапазон выполняемых белками функций находит свое отражение в разнообразии их химических структур и пространственных форм. На рис. 1.1. показана структура белка — миоглобина, который содержится в мышцах животных и человека. Белковая цепь миоглобина свернута таким образом, что несколько отдельных ее участков оказываются сближенными в пространстве и формируют центр для образования гема (он на рисунке показан черным) — железосодержащую группу, способную присоединить кислород. Следует особенно подчеркнуть роль белков в организации живого вещества. Белки представляют собой полипептидные последовательности 20 стандартных аминокислот. Синтез белка осуществляется путем последовательной

поликонденсации отдельных аминокислотных остатков, от амино (N) конца полипептидной цепи к ее карбоксильному (С) концу.

Карбоксильная группа (—COOH)иамино-группа(—NH2)каждой из аминокислот присоединяется к одному и тому же атому углерода С. К этому же атому С присоединится и одна из многих возможных боковых групп, образуя ту или иную аминокислоту (рис. 1.2.).

Рис. 1.2. Структуры 20 аминокислот, встречающихся в белках.

Из этого рисун- ка видно, что все они, за исключением пролина, имеют одинаковую основу и отличаются только строением боковой группы R.

Все используемые организмом в белках 20 аминокислот различаются этими присоединенными атомами или соединениями. В организме человека синтезируется 12 аминокислот, 8 должны поступать с пищей. Всего в клетках и тканях может содержаться до 170 аминокислот. Таким образом, аминокислоты являются для макромолекулы белка мономерами. Белок, содержащий тысячи аминокислот, синтезируется в живой клетке за 5

—6 мин.

Свойства белков определяются пространственной трехмерной структурой их цепей.4

Такая пространственная форма очень чувствительна к температуре окружающей среды. При повышении температуры белок денатурируется — теряет свою пространственную конфигурацию, а вместе с ней и биологические свойства. У живых организмов это происходит при температуре около 60 °С. Эти белковые цепи могут самопроизвольно свертываться в строго определенные структуры, геометрия и динамика которых

определяется составом и порядком аминокислотных остатков в цепи. Поскольку синтезирующиеся полимеры находятся в водном растворе организма в виде статистического клубка, то они не образуют стабильных и идентичных для всех макромолекул трехмерных структур. Функциональность и специфичность белка зависит от генетического кода ДНК и исполнения его в РНК.

Белки — строительный материал в живой природе. В них преобразуется тепловая энергия хаотического движения в энергию более высокого порядка — механическую и энергию стереоспецифических внутримолекулярных взаимодействий. Если в неживой природе тепловая энергия рассеивается при установлении равновесия, то роль белков в живой природе заключается в преобразовании тепловой энергии хаоса в нужные для развития и функционирования живого организма виды энергии. Поэтому белки обладают способностью взаимопревращения всех необходимых для жизни энергий (тепловой, механической, химиче-

кой, световой), а также уникальной способностью зарождения из хаоса упорядоченной структуры молекул живого организма.

Эта способность и обусловлена их пространственной химической структурой. Причем белок может иметь первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры. Под первичной понимают химическую, структурную формулу белка, представленную в виде линейной последовательности аминокислотных остатков и определяющую порядок их чередования. Остальные структуры — это различные уровни этой линейной последовательности в пространстве. Вторичная структура представляет собой спираль, в которой отдельные аминокислоты соединены водородной связью, третичная образует клубок (глобулу) из белка одной природы, а четвертичная — клубок из белковых глобул, различных по своей природе и структуре.

Взаимодействие между отдельными участками цепи определяется характером химической связи (водородной, ковалентной, ионной) и ранее рассмотренной последовательностью расположения аминокислот в полипептидной цепи. После соединения аминокислот в определенной последовательности цепь автоматически закручивается, образует петли и свертывается в присущую ей правильную структуру, т.е. происходит самосборка белковых молекул в трехмерном пространстве. Если многократно растягивать полипептидную связь и затем отпускать, то она всегда будет восстанавливаться в присущую для каждого вида цепи структуру.

Изменяя в цепи лишь одну аминокислоту, можно получить молекулу с совершенно другой структурой и иными свойствами. Цепь длиной уже в 1000 звеньев открывает безграничные возможности формирования таких свойств белка, которые полностью отсутствуют в каждой отдельной молекуле. Огромное разнообразие живых организмов на Земле в основном определяется различиями в составе и пространственной форме составляющих их белков. Например, глобулярные белки принимают участие в катализе, транспорте, регуляции, а фибилярные белки (коллаген, кератин и фиброин шелка) играют структурную роль. Коллаген — наиболее распространенный белок у млекопитающих — образует основу сухожилий, костей, кожи и хрящей. Структурной единицей коллагенового волокна являетсятропо-коллагеноваямолекула, состоящая из трех полипептидных цепей, каждая из которых содержит около 1000 аминокислотных остатков.Белки-глобиныучаствуют в переносе кислорода.

Глобулярный белок — гемоглобин — входит в состав красных клеток крови — эритроцитов, обусловливает красный цвет крови и обладает способностью связывать молекулярный кислород. Одна его молекула присоединяет к себе одновременно четыре молекулы кислорода. При этом в легких, где давление кислорода более высокое, происходит присоединение кислорода к гемоглобину, в тканях, где давление более низкое, кислород освобождается и происходит его диффузия в клетки. В клетке кислород взаимодействует с белком — миоглобином, который тоже может связывать кислород, но только одну его молекулу. Таким образом, молекулы кислорода переходят от гемоглобина к миоглобину и хранятся там до тех пор, пока они не потребуются. Миоглобин тоже красного цвета и придает красный цвет мясу.

Все биосистемы содержат белки, которые отвечают за фундаментальные свойства живого: разнообразие его органического мира, избирательность и эффективность процессов жизнедеятельности, целесообразность форм организмов, самоорганизацию живой материи; они — активное начало жизни. В чистом виде белок является веществом белого цвета или бесцветным, что и определяет его название.

К классу белков кроме структурных белков относятся специальные белки —ферменты, которые выполняют роль биокатализаторов, ускоряющих, а также регулирующих процесс биосинтеза структурного белка. Скорость биохимической реакции при наличии фермента может возрасти в 10 миллиардов раз! Примером действия фермента является знакомый всем любителям кошек по запаху процесс разложения мочевины на диоксид углерода и аммиак, который идет при наличии фермента — уреазы:

Ферменты имеют активный центр; химическое строение их таково, что с ними могут соединяться только вещества, на которые этот фермент действует, — так называемые субстраты. Субстрат — этокакая-томолекула, которая после взаимодействия с ферментом превращается в другую молекулу. Немецким биохимиком Фишером было установлено правило «замок — ключ»: к ферменту (замок) подходит лишь свой субстрат (ключ). Отметим, что эта простая модель для сложных механизмов взаимо- действия молекул работает гибко и надежно в условиях непрерывного хаотического теплового движения молекул. Попробуйте-кавставить ключ в замок вибрирующего устройства! Ферменты приспособлены для определенной операции или регулировки обмена веществ. BA. Энгельгардт сказал, что«о ферментах, как и о людях, судят по их поведению». Т. Я. Дубнищева приводит интересную метафору: белки могут производить буквы, но не могут складывать их в слова. Может быть, в том, каким образом аминокислоты «вставляются» в белки, и состоит один из секретов жизни. Указание об этом, информацию о топологии построения белковых структур несут в себе нуклеиновые кислоты.5