Артюхов В.Г., Ковалева Т.А., Шмелев В.П. Биофизика

Подождите немного. Документ загружается.

ществ, то необходимо указать на наличие белков, НК, липидов и

других

веществ.

В настоящее жремя, несмотря на многочисленные попытки, еще

никому не удалось создать жизнь простым способом, простой ком-

бинацией различных соединений в пробирке. Вероятно, для того

чтобы система была живой, необходимы ее определенная организа-

ция,

определенная

структура,

определенная интеграция. Такой

единицей, обладающей минимальными структурой и организацией,

следует

считать клетку. Только клетка в состоянии обеспечить нео-

бычайную интеграцию различных органических реакций.

Длительное существование биополимерной системы немыслимо

без постоянного притока энергии и веществ из окружающей среды и

выведения из этой системы деградированных продуктов с обеспечи-

ванием ее необходимой энергией.

Постоянство параметров биополимерной системы оказывается

возможным не за счет отсутствия обмена энергией и веществом, а

благодаря постоянному обмену. Следовательно, такая биополимер-

ная

система

будет

представлять собой открытую систему, находя-

щуюся в стационарном состоянии.

В определение жизни должно входить понятие о специфическом

биологическом обмене веществ. Этот существенный признак жизни

нуждается в пояснении. Под специфическим биологическим обме-

ном

веществ

следует

понимать высокую интеграцию различных би-

охимических превращений под влиянием биокатализаторов (фер-

ментов), которые сами образуются в данной системе. Смысл биохи-

мических превращений сводится к постоянному самообновлению

структуры системы (клетки) в процессе приспособления к меняю-

щимся

условиям среды.

Суть специфического биологического обмена веществ сводится

также к окислению поступивших или ненужных структурных ком-

понентов для образования универсального клеточного горючего, не-

обходимого для осуществления различного вида работ в клетке, ор-

гане, организме. Эта энергия аккумулируется в виде энергии фос-

форных связей - аденозинтрифосфата (АТФ), аденозиндифосфата

(АДФ), креатинфосфата (КФ) и др. Основная масса энергии расхо-

дуется

в виде АТФ.

Следует

подчеркнуть, что все без исключения реакции, протека-

ющие в организме,

могут

быть воспроизведены в пробирке. Но для

их протекания требуются высокие температуры, высокие давления,

добавление неорганических катализаторов. В то же время в клетке

эти

реакции

идут

«мягких»

условиях (при температуре не выше

40° С, атмосферном давлении), чему предшествовала длительная

эволюция

предбиологических систем.

Говоря о специфическом биологическом обмене, не

следует

упу-

скать из виду необычайно высокую сопряженность, последователь-

ность в осуществлении сложных реакций благодаря пространст-

венному расположению ферментов. По сложности химических ре-

акций

в клетке (их одномоментно протекает около тысячи) ни один

современный

химический завод не может сравниться с ней. Про-

дукт

первой реакции служит исходным для второй, а конечный про-

дукт

второй реакции - для третьей и т.д. В

результате

все биохими-

ческие процессы необратимы - реакции

идут

в одном направлении.

Ферменты очень хорошо работают и в пробирке, не требуя сложных

условий.

Определение жизни, по нашему мнению, должно указывать еще

на

одно главное свойство живого - способность к воспроизведению

себе подобных с передачей по наследству важнейших

структур

функций.

Без такого свойства жизнь на Земле не могла бы сохра-

няться

в течение примерно 4- 10 лет. Есть основания

утверждать,

что далекие предки, вымершие сотни миллионов лет назад, в фун-

даментальных процессах на уровне клеток, субклеточных образова-

ний

и молекул в принципе ничем не отличались от ныне

существу-

ющих животных и растений. Природа черезвычайно консервативна

своих принципах, что немыслимо без указанного важнейшего

свойства - наследования существенных признаков. Уже на уровне

молекул можно обнаружить способность к удвоению. На одной мо-

лекуле ДНК

могут

достраиваться по дополнительному принципу

молекулы

мРНК,

из одной клетки при делении получаются две оди-

наковые

клетки, ничем не отличающиеся по своим свойствам от ис-

ходной, хотя в дальнейшем процессе дифференцировки их

структу-

ра и функции

могут

сильно измениться.

На

основании сказанного можно дать следующее определение

жизни.

Жизнь

есть способ существования открытой биополимерной сис-

темы, определенным образом построенной (в первую очередь из

белков и НК) и организованной не менее чем в клетку, находящую-

ся

в стационарном состоянии и обладающую рядом свойств, важ-

нейшими

из которых являются наличие биологического обмена ве-

ществ, воспроизведение себе подобных с передачей по наследству

общих принципов структуры и функций.

такой позиции кажутся совершенно неправомочными разгово-

ры и споры о возможности существования внеклеточной жизни,

«живых»

комплексов молекул, отдельных живых молекул.

Исходя из данного определения жизни, вирусы, бактериофаги,

семена в состоянии покоя мы должны отнести к неживым образова-

ниям,

обладающим потенциальными возможностями жизни.

Жизнь

в ближайшее время не

будет

получена путем составления

простой механической смеси из необходимых компонентов. Для

возникновения

жизни необходима высокая интеграция химических

процессов,

чего достигнуть пока не представляется возможным.

Исходя из идеи о структурных уровнях биосистем жизнь возни-

кает на определенном уровне, а на последующих уровнях идет

только усложнение данных организмов и их систем относительно

окружающей среды, относительно

других

живых существ. Но пере-

ход на новый структурный уровень выше клеточного не вносит

принципиальных

изменений в

структуру

и функции

всех

живых

организмов,

рассматриваемых на уровне клеток.

По

Ц.Кардашсву, «структурным уровнем является дискретное,

относительно устойчивое, качественно своеобразное состояние ма-

териальных систем, которое охватывает объективную специфику

форм

и видов материи, но вместе с тем и взаимосвязь

между

раз-

личными

формами движения материи, узловые линии развития».

Вполне понятно, что наибольшие изменения в биосистеме на-

блюдаются при ее переходе с одного структурного уровня организа-

ции

материи на другой. С такой точки зрения жизнь возникает при

переходе с субклеточного структурного уровня на клеточный.

З.В.Каганов пишет: «Законы строения и поведения объектов ка-

чественно специфичны для каждого уровня организации. Это объ-

ясняется

тем, что свойства структуры и поведения каждого уровня

определяются, во-первых, свойствами составных элементов, во-

вторых, способом взаимодействия элементарных единиц

друг

с дру-

гом

и,

в-третьих,

особенностями взаимодействия частей и целых

систем».

Жизнь

не

существует

на уровне атомов и молекул. На этом уров-

не,

а также на уровне органелл и т.д. мы можем рассматривать

только организацию жизни.

При

рассмотрении таких структурных уровней биосистем, как

атомный,

молекулярный, органоидный, клеточный, органный, ор-

ганизменный,

популяционный и т.д., становится

ясно,

что переход,

скачок

к новому качеству - от неорганической природы к жизни со-

вершается на уровне клетки.

Исходя из

других

критериев, можно прийти к тому же выводу,

который

делают

М.Ф.Веденов, В.И.Кремянский, А.Т.Шаталов: «По

совокупности ... признаков необходимо и достаточно выделить два

основных структурных уровня в развитии живого:

1) одноклеточные организмы и

2) многоклеточные организмы».

Все, что меньше клетки, не является живым, а представляет

только ее составную органическую часть. Можно рассматривать

строение и функции живого на различных уровнях, но всегда сле-

дует

помнить, что жизнь начинается с клетки.

Разнообразие

живых организмов

В природе поражает разнообразие видов живых организмов.

Р.Флиндт в книге «Биология в цифрах» указывает, что описано 1,5

миллиона

видов животных и более 400 тысяч видов растений. В

пределах одного вида

могут

насчитываться миллиарды индивидуу-

мов,

каждый из которых генетически самостоятелен и отличается

от остальных. Достаточно указать, что население Земли достигло 5

миллиардов человек. Казалось бы, что может быть общего

между

туберкулезной бациллой и гималайским медведем,

между

улиткой

леопардом,

между

белым грибом и ливанским кедром! Эти биоло-

гические объекты, на первый взгляд, имеют гораздо больше разли-

чий,

чем

сходства.

Однако оказывается, при тщательном анализе

можно обнаружить не только сходство, но и единство принципов

структуры и функционирования

всех

живых организмов. Можно

легко доказать, что фундаментальные элементарные процессы,

протекающие в них, принципиально не различаются. Устройство и

функционирование

молекулярного, органоидного, клеточного

звеньев принципиально одинаково у

всех

живых систем. Различия

появляются на более высоких ступеньках иерархической лестницы.

Принципы

структуры живых организмов следующие:

1. Единство элементарного состава.

2. Единство типов химических связей.

3. Единство мембранного типа строения субклеточных образова-

ний.

4. Единство клеточного строения.

5. Единство строения многоклеточных организмов.

Рассмотрим более подробно каждый из принципов.

Принцип

единства элементарного состава

живых организмов. Из 109 элементов Периодической сис-

темы химических элементов Д.И.Менделеева в организмах живо-

тных и растений обнаружено более 30. Основные из них (преобла-

дающие) приведены в табл. 1.1.

В среднем на долю четырех элементов - кислорода, углерода, во-

дорода и азота - приходится 97 - 98%, а еще восемь жизненно необ-

ходимых элементов - сера, фосфор, хлор, калий, магний, кальций,

натрий,

железо в сумме не превышают 1,9 - 2%. Количество ос-

тальных элементов, входящих в состав микропримесей, составляет

не более 0,01%.

Таблица

1.1.

Содержание

химических

элементов

в клетке (цитоплазме) (Ю.И.Полянский)

Элементы

Кислород

Углерод

Водород

Азот

Фосфор

Калий

Сера

Хлор

Количество

65-75

15-18

8-10

1,5-3,0

0.2-1.0

0,15-0,40

0,15-0,20

0,05-0,10

Элементы

Кальций

Магний

Натрий

Железо

Цинк

Медь

Йод

Фтор

Количество

0.04-2,00

0,02-0,03

0,01-0,015

0,0003

0,0002

0,0001

Преобладающим (но не определяющим!) элементом является

кислород. Жизнь на Земле построена на базе углерода, но он не яв-

ляется самым распространенным элементом в земной коре: напри-

мер, он более чем в 320 раз

уступает

кремнию, который стоит с ним

в одном ряду Периодической системы элементов Д.И.Менделеева.

Соединения углерода составляют основу всех типов биологиче-

ски

важных соединений. Но почему

углерод?

На этот вопрос в на-

стоящее время можно дать следующий ответ. Атомы кремния и уг-

лерода способны присоединять 1-4 электрона и приобретать ста-

бильные электронные конфигурации. Они взаимодействуют

друг

другом, образуя длинные цепи. Однако углерод имеет большие пре-

имущества перед кремнием: образует прочные С-С связи, дает

кратные связи; соединения углерода стойки в присутствии воды,

кислорода и аммиака. Соединения кремния такими свойствами не

обладают.

Тот факт, что ткани живого организма построены из числа пер-

вых 30 элементов Периодической системы Д.И.Менделеева, вполне

объясним: атомы наименьшего размера после присоединения 1-4

электронов

другого

атома дают устойчивые соединения. Кислород и

сера обеспечивают стабильность соединений путем образования

кислородных мостиков и дисульфидных связей.

Атомы водорода обусловливают подвижность, лабильность, быст-

рую изменчивость соединений в зависимости от их взаимодействия

окружающими атомами. Водородная связь играет значительную

роль в осуществлении ряда взаимодействий. Водородной связью

объясняют особые свойства воды.

Азот необходим для образования пептидных связей з белке. Пеп-

тидная связь обеспечивает образование из аминокислот полипепти-

дов

и белка.

Атомы

натрия, калия, кальция, магния во

всех

живых организ-

мах

играют роль регуляторов оводнения.

Особую

роль в организмах выполняют соединения

фосфора.

Поч-

ти во

всех

живых организмах они образуют макроэргическую связь,

за

счет которой обеспечивается энергетическая трата организмов:

совершается

работа биосинтеза, механическая, электрическая, ос-

мотическая.

Таким образом, анализ элементарного состава самых различных

живых организмов приводит к одному выводу: элементарный состав

живых систем одинаков.

Принцип единства типов химических связей.

Нетрудно

предположить, что примерно из одинакового набора ато-

мов в качественном и количественном отношении могут образовы-

ваться примерно одинаковые соединения, примерно однотипные

химические связи. Анализ живых организмов легко подтверждает

такое

предположение, и это наглядно иллюстрируют данные табл.

1.2.

Таблица

1.2

Содержание

клетке

химических

соединений

(А.Гизе)

Вещество

Вода

Соли

и др,

неорганиче-

ские

вещества

Белок

Жировые

вещества

Углеводы

Нуклеиновые

кислоты

Содержание,

сырой

массе

70-85

1.0-1,5

10-20

1-5

0,2-2,0

0,5-1,5

Средняя

молеку-

лярная

масса.

Да

36000

700

250

3000000

Относительное'

число

молекул

18000

100

0.001

Из

анализа таблицы видно, что и в процентном отношении к сы-

рой

массе,

и по абсолютному содержанию химических соединений

молекулы воды далеко превосходят молекулы других веществ. Но

жизнедеятельность каждого организма определяется нуклеиновыми

кислотами и белками,

причем

необходимо четко различать преоб-

ладающий (вода) и определяющий (НК и белки) типы химических

веществ.

Следует

подчеркнуть, что, несмотря на огромное разнообразие

конкретных

типов химических соединений (так, каждый человек,

как

и любой

другой

организм, наряду с общими белками имеет свои

собственные, индивидуальные белки), поражает однотипность и

одинаковость мономеров, из которых образуются биополимеры,

свойственные каждому организму. Поражает также общий единый

план

построения указанных шести типов веществ у самых различ-

ных живых существ, стоящих на большом расстоянии

друг

от

друга

эволюционном ряду.

Нуклеиновые

кислоты.

С ними связаны важнейшие функции и

свойства живых организмов: консерватизм биологических объектов,

проявляющийся

в сохранении их

структур

и функций не только в

течение жизни одного индивидуума, но и при смене поколений в те-

чение сотен миллионов лет. Генетическая информация зашифрова-

на

в виде молекул ДНК.

НК связаны процессы биосинтеза белка, реализации генетиче-

ской

информации в зависимости от конкретных условий жизни.

Приходится только удивляться, что каждый организм имеет свою

индивидуальную НК (ДНК и РНК). Существуют сотни миллиардов

НК.

Но все они построены из одних и тех же восьми мономеров -

нуклеотидов, состоящих из азотистого основания (пуринового или

пиримидинового),

углевода

(рибозы или дезоксирибозы) и фосфор-

ной

кислоты.

Особенность каждой ДНК и РНК зависит только от чередования

количества нуклеотидов. В одну молекулу НК

входят

сотни тысяч

нуклеотидов в различной последовательности.

Сохранение типичных свойств живого, размножение клеток

обусловлены замечательным свойством ДНК живых организмов уд-

ваиваться, самовоспроизводиться.

Необходимо помнить, что консерватизм живых систем зависит в

основном

от молекул ДНК, которые сохраняются в течение всей

жизни

клетки. Только при делении клетки идет удвоение ДНК. На

молекуле ДНК строится молекула

мРНК,

а на молекуле

мРНК

белки.

Какова молекула ДНК, таковы и белки.

Итак,

индивидуальность каждого организма зависит от индиви-

дуальности ДНК и РНК, а последние у

всех

живых организмов по-

строены из различных нуклеотидов по общему единому плану.

Вновь, следовательно, мы встречаемся с единством в многообразии.

Белки. Крупнейшим достижением последних лет явилось глубо-

кое

познание структуры и механизма синтеза белка.

Если

назначение НК можно сравнить с механизмом, осуществля-

ющим реализацию стратегических целей, то белки являются такти-

ческим механизмом, определяющим конкретные проявления жизни

данный момент. Недаром Ф.Энгельс определял жизнь как форму

существования белковых тел и с белками связывал все разнообра-

зие живого.

Каждый организм имеет свои индивидуальные белки. Но если

рассматривать первичную

структуру

белка, то окажется, что все

белки состоят из мономеров - аминокислот, число типов которых

равняется 20-21. Соединяясь

друг

с другом, аминокислоты

дают

длинные цепи белка, их индивидуальность зависит от порядка че-

редования и количества аминокислот. Аминокислоты самых раз-

личных организмов имеют одинаковую

структуру

и соединяются

друг

другом

при помощи однотипной полипептидной связи.

Таким

образом, можно говорить о единстве аминокислотного со-

става

всех

белков различных живых организмов, о единстве общего

плана

строения белка и о сходных его свойствах при одинаковой

структуре.

Липиды.

В клетках организмов содержатся липиды. Этот класс

веществ объединяет жиры, жирные кислоты, стерины и

другие

сое-

динения.

Основную массу липидов живых организмов составляют

жиры,

которые построены у

всех

существ из глицерина и жирных

кислот.

Можно

уверенно говорить о едином плане строения и единстве

функций

липидов у

всех

живых существ.

Углеводы.

Они

входят

в состав

всех

без исключения живых сис-

тем. Их содержание может колебаться от 1,5 до 60 %.

Углеводы

при

всем своем разнообразии состоят лишь из небольшого числа моно-

меров (гексоз и пентоз). Мономеры при взаимодействии

друг

с дру-

гом

могут

приводить к образованию больших молекул полимеров

(образование гликогена и крахмала из глюкозы).

Неорганические

вещества.

К неорганическим веществам отно-

сятся

вода, различные соли, кислоты, основания. На долю неорга-

нических веществ (за вычетом воды в животных и растительных ор-

ганизмах) приходится 1-1,5 % от общей массы живого.

Человек массой 70 кг имеет 23,8 кг внутриклеточной воды (340

мл/кг массы). Он состоит из 10 клеток. Нетрудно определить, что

состав клетки

будет

входить 7,9 • 10

молекул воды.

Все жизненные процессы протекают в водной среде с широким

участием молекул воды в различных биохимических реакциях. Во-

да очень быстро вступает во взаимодействие с окружающей средой в

тех организмах и органах, где высок обмен веществ. Обмен всей во-

ды у различных живых организмов идет с такой скоростью: у амебы

- 1 неделя; у человека - 1 месяц: у черепахи - 1 год; у кактуса - 29

лет.

Вновь поступившие молекулы воды ни в структурном, ни в

энер-

гетическом отношении ничем не отличаются от выведенных. Оче-

видно,

вода является средой и пассивно увлекается и выводится с

продуктами деградации.

Вода

- уникальное химическое соединение с аномальными свой-

ствами. Но интересно

другое.

Вода

во

всех

организмах едина по хи-

мическому составу и выполняет одинаковые функции. У

всех

жи-

вых организмов водный раствор является внешней и внутренней

средой, обмен веществ идет

между

клеткой и водной средой. Все би-

охимические реакции проходят в клетке в водной среде и часто при

непосредственном участии молекул воды. Жизнь без воды невоз-

можна.

На

основании сказанного закономерен вывод о единстве мономе-

ров и едином плане строения различных классов химических соеди-

нений

у самых различных организмов.

Принцип

единства мембранного типа строе-

ния

субклеточных образований. Одним из величай-

ших достижений биологии последних десятилетий явилось деталь-

ное

выяснение структуры и ряда функций субклеточных образова-

ний.

Самым удивительным фактом оказалась однотипность строе-

ния

субклеточных образований у самых различных видов растений

животных.

Существует общий план строения и функционирования однотип-

ных субклеточных структур. Все органеллы клеток построены по

единому, мембранному типу. Поражает универсальность примене-

ния

мембран в построении органелл. Мембраны отделяют клетку от

межклеточной жидкости; ядро, лизосому, фагосому - от цитоплаз-

мы.

Аппарат Гольджи и эндоплазматическая сеть у

всех

живых ор-

ганизмов представляют собой каналы, отграниченные от цитоплаз-

мы мембранами. В митохондриях необычно развиты мембраны, на

которых пространственно разделены отдельные ферменты, что

обеспечивает- последовательное протекание ряда реакций окисле-

ния

при выработке АТФ.

Удивляет на первых порах однотипность строения самих мемб-

ран.

Все мембраны имеют толщину

75-100

ангстрем и состоят из

трех

слоев: однорядный слой белка, двурядный слой липидов и еще

один слой белка. Такой тип строения сохраняется в самых различ-

ных мембранах, за исключением митохондрий, где мембрана

удва-

ивается и получается

структура

из пяти слоев.

Единый план строения субклеточных

структур

служит еще од-

ним

доказательством реализации единых принципов организации

всех

живых организмов.

Принцип

единого плана клеточного строе-

ния

живых организмов. Все живое или представляет со-

бой клетку (одноклеточный организм), или состоит из клеток (мно-

гоклеточный организм). Исключений из этого общего правила не

обнаружено. Многоклеточный организм чаще имеет более сложную

структуру,

у него появляются новые функции. На многих много-

клеточных организмах можно проследить диалектический переход

на

новый, более сложный уровень организации (органно-тканевой,

организменный) с появлением новых законов, управляющих этими

более сложными системами.

Иногда высказывается мнение, что одноклеточный организм уст-

роен проще, чем клетка многоклеточного организма. Однако это не

так: ведь одноклеточный организм выполняет весь объем функций,

а клетка многоклеточного организма утрачивает часть функций,

так как они распределены

между

другими клетками, и у клетки ги-

пертрофируется одна определенная функция, на выполнении кото-

рой клетка специализируется.

Ранее указывалось, что жизнь менее чем в клетке невозможна.

Клетка является и структурной, и функциональной единицей жиз-

ни.

Многоклеточные организмы построены по блочному принципу из

различного количества клеток,

между

которыми устанавливается

высокая корреляция биохимических, биофизических, физиологи-

ческих и

других

процессов.

Клеточный принцип строения

всех

живых систем - доказательст-

во их общности.

Принцип

единства строения многоклеточ-

ных организмов. Одноклеточные организмы, размножающи-

еся простым делением, или многоклеточные организмы, размножа-

ющиеся половым путем, вначале представляют собой одну исход-

ную клетку. Идет деление и генетического материала, и цитоплаз-

мы.

Дочерние клетки идентичны исходным, материнским. Новые

клетки имеют необычайно

сходную

структуру

и функции. Новые

качества в

результате

дифференцировки появляются на новом эта-