Равновесие биохимических процессов

Любой живой организм можно представить в виде сложной динамической системы, в которой одни химические соединения превращаются в другие. Совокупность таких превращений обеспечивается системой обмена веществ. Благодаря обмену веществ живая система поддерживает свое существование. Образующие живой организм вещества способны вступать в разнообразные химические реакции, однако система обмена обеспечивает взаимодействие только вполне определенных веществ. В организме есть своеобразное хранилище информации, с помощью которой и определяется, какая из множества реакций должна поисходить. Для синтеза многих химических веществ организма нужна энергия. Поэтому управление химическими процессами и их энергообеспечения тесно взаимосвязаны.

Живому организму, как и любой термодинамической системе, свойственно стремление к равновесному состоянию. В данном случае речь идет о химическом равновесии – состоянии реагирующих веществ, при котором их относительное количество не изменяется со временем. Такое состояние для живого организма называется биохимическим равновесием. Постоянство концентраций при биохимическом равновесии вовсе не означает, что химические реакции между реагирующими веществами прекратились. Они не прекратились, но скорости прямой и обратной реакции одинаковы, так что состав конечной равновесной смеси зависит от начальной концентрации реагентов, температуры и давления – факторов, существенно влияющих на скорость реакций.

В процессе химических превращений могут образовываться вещества с относительно большим запасом энергии за счет расщепления других веществ на продукты с меньшим ее запасом. Многие биохимические процессы именно так и происходят. Такие процессы сложны и многообразны, но все они происходят при общем уменьшении энергии, доступной системе.

Если в систему не поступают и из нее не выходят ни вещества, ни энергия, то она будет приближаться к состоянию равновесия, соответствующему минимуму потенциальной энергии. Хорошо известно, что древесина, сахар, бумага и многие другие вещества при обычных условиях обладают высокой химической стабильностью. С другой стороны, например, если поднести к бумаге зажженную спичку, то начинается процесс горения, при котором преодолевается энергетический барьер и начинается движение к другому химическому равновесию с образованием углекислого газа и воды.

Преодоление энергетического барьера при химической реакции возможно не только при повышении температуры, но и при действии катализаторов. Как уже отмечалось, в живых организмах катализаторами являются ферменты. Они высокоселективны, т. е. способны ускорять одну или небольшое число сходных реакций. Именно ферменты определяют, какие реакции будут идти с повышенной скоростью, а какие нет, и от этого зависят многие функции живого организма.

Химическую природу ферментов впервые определила 1926 г. американский биохимик Джеймс Самнер (1887–1955), лауреат Нобелевсой премии 1946 г. Из соевых бобов он выделил в кристаллической форме фермент уреазу и доказал его белковую природу. Дальнейшие исследования показали, что ферменты представляют собой белки. Обратное утверждать нельзя: подавляющее большинство белков – ферменты, но есть множество белков с другими функциями (например, белок кератин – главный компонент волос, белок коллаген содержится в костной ткани, коже, и др.). Их называют структурными белками. Недавно выяснилось, что в особом случае ферменты имеют небелковую природу: некоторые рибонуклеиновые кислоты (РНК) способны катализировать изменения в своей собственной структуре.