Общее понятие об обмене веществ и энергии в организме

ДИНАМИЧЕСКАЯ БИОХИМИЯ

Все процессы, связанные с жизнедеятельностью живых организмов, динамичны. Основа всех жизненных процессов на Земле – обмен веществ. Это непрерывный, самосовершающийся и саморегулируемый круговорот веществ, протекающий в процессе существования живой материи и сопровождающийся её постоянным обновлением.

Обмен имеет место и в неживой природе, однако обмен веществ живой и неживой природы значительно отличаются. В частности, обмен веществ в неживой природе происходит необратимо, с понижением потенциальной энергии, ведущему к разрушению вещества (например, окисление Fe до Fe₂O₃). При этом неживая система любого типа не самообновляется, а лишь видоизменяется, стремясь прийти в равновесие с окружающей средой. Жизнь и живая материя возникли только тогда, когда среди неживых систем с характерными для них процессами неупорядоченного изменения веществ в природе появились системы, способные поддерживать своё упорядоченное существование за счёт использования и преобразования факторов окружающей среды.

В современном мире, в котором динамично развиваются компьютерные и кибернетические технологии, системы искусственного интеллекта, остро встала необходимость чёткого разграничения живых и неживых систем. Поэтому каждая наука углубила и конкретизировала для себя понятие жизни.

С точки зрения квантовой биохимии жизнь определяется как форма динамической реализации квантовых характеристик атомов.

В молекулярной биологии жизнь представляется как макромолекулярная иерархическая организация, характеризующаяся репликацией, метаболической цикличностью и регуляцией энергетических процессов.

Термодинамика видит наиболее существенное свойство живых организмов в их устойчивой термодинамической неравновесности и способности к её поддержанию на определённом уровне, основанному на циклической трансформации органического вещества.

По мнению учёных, изучающих физическую химию, жизнь есть динамическое равновесие многофазных систем.

Таким образом, каждая наука раскрывает разные стороны такого сложного явления как жизнь, однако в основе любого определения жизни всё же прямо или опосредованно лежит представление об обмене веществ.

Обмен веществ в живой природе приводит к самообновлению, саморазвитию и эволюции материи. Он состоит из процессов поглощения организмом веществ из окружающей среды и синтеза за их счёт структурных единиц своего тела. Этот процесс называется ассимиляцией или анаболизмом. Другие процессы связаны с распадом веществ в живой системе и выведением продуктов их распада из организма. Этот процесс называется диссимиляцией или катаболизмом. Диалектическое единство этих двух процессов – процессов питания и выделения, усвоения и разрушения, и называется обменом веществ живой природы.

Различают внешний обмен – поступление и выведение веществ из организма и внутренний (промежуточный) обмен, происходящий внутри организма. Именно промежуточный обмен веществ изучает динамическая биохимия.

Любой обмен веществ обязательно связан и с обменом энергии.

Энергия – способность химического тела совершать работу. Она заключена в химических связях между атомами этого вещества.

Энергия для микроскопических объектов выражается уравнением А. Эйнштейна E = mc².

Других связей между массой и энергией не существует. Если рассматривать Землю как открытую систему, вся энергия на Земле берётся от Солнца (первичное акцептирование солнечной энергии осуществляется в процессе фотосинтеза).

Любое вещество с точки зрения термодинамики обладает определённой свободной энергией (энергией Гиббса DG)

DG = DH – T × DS,

где DH – энтальпия – теплосодержание вещества;

T × DS – часть общей энергии, которая не может быть использована для выполнения работы и рассеивается в виде тепла;

DS – энтропия – термодинамический параметр, характеризующий степень упорядоченности системы (в данном случае – вещества). При произвольных природных процессах энтропия стремится к увеличению.

Разрушение вещества ведёт к высвобождению этой энергии, которая может быть превращена в работу. Поскольку уровни свободной энергии индивидуальных исходных веществ и продуктов реакции различны, в процессе преобразования веществ происходит перераспределение свободной энергии между компонентами реакционной смеси, т.е. протекает обмен энергией между веществами.

Вещества, входящие в состав живых организмов, обладают рядом уникальных свойств, одним из которых является повышенное содержание энергии, которая запасается в энергии химических связей данных веществ.

Энергии связи между различными атомами в органических соединениях имеют разные значения. Нормальным усреднённым значением энергии химической связи в органических соединениях является уровень около 12,5 кДж/моль. Однако среди громадного перечня биологически активных соединений, особую роль играют вещества, содержащие макроэргические связи, энергия которых значительно превышает энергию обычных связей между атомами и находится в диапазоне от 20 до 50 кДж/моль и более. Именно эти, так называемые макроэргические вещества, и являются носителями энергии в живых организмах. Важнейшим из них являются УДФ-глюкоза, ацетилкоэнзим А, АТФ, креатинфосфат, 1,3-дифосфоглицериновая кислота, фосфоенолпировиноградная кислота и др.:

(при распаде ацетилкоэнзима А выделяется 32, 9 кДж/моль)

(при распаде АТФ по пути А выделяется 32,5 кДж/моль,

а при распаде АТФ по пути Б выделяется 34,7 кДж/моль)

(при распаде креатинфосфата выделяется 40,1 кДж/моль)

Макроэргические связи в вышеприведённых веществах обозначаются символом «~». Макроэргические связи представлены преимущественно сложноэфирными связями, в том числе тиоэфирными, ангидридными и фосфоамидными и локализованы по атомам фосфора и серы. Это обусловлено тем, что связи, которые образуют эти атомы слабее, чем остальные; фосфор и сера могут образовывать более четырёх ковалентных связей и сохраняют способность к замыканию кратных связей. Макроэргические связи в перечисленных соединениях постоянно распадаются, чтобы давать энергию многочисленным химическим реакциям, обуславливающим обмен веществ, и в то же время постоянно замыкаются вновь в результате аккумулирования энергии, поступающей в организмы с питательными веществами.

Таким образом, макроэргические соединения выполняют в организмах функцию и донора, и акцептора энергии в обмене веществ; они служат как аккумуляторами, так и проводниками энергии в биохимических процессах. Кроме того, им свойственна роль трансформаторов энергии, так как они способны преобразовывать энергию химической связи в энергию возбуждения молекулы.

Исследование причин образования макроэргических связей, привело биохимиков к двум важным выводам:

1) Для макроэргических соединений с токи зрения квантово-механических представлений характерно накопление положительных зарядов у атомов, непосредственно связанных макроэргической связью и отрицательных – у окружающих эти связи атомов:

2) p-электроны атомов кислорода, азота и серы, связывающих группировки атомов в макроэргических соединениях, не в состоянии удовлетворить потребность в электронах этих группировок.

Следствием этих двух причин является неустойчивость систем сопряжённых электронов макроэргических соединениях, которая при гидролизе и в других преобразованиях легко нарушается и запасённая энергия высвобождается.

Энергия, которая выделяется при распаде макроэргических соединений, используется в организмах для химического синтеза, теплообразования, свечения, накопления электричества, выполнения механической работы, осмотических явлений против градиента концентраций и т.д.

Таким образом весь обмен веществ находится в большой зависимости от макроэргических соединений, поскольку они играют выдающуюся роль как при запасании, так и при расходовании энергии, т.е. являются ключевыми веществами в энергетическом обмене организма.

Обмен веществ и энергии представляет собой единый, неразрывный процесс, где видоизменение любого вещества всегда сопровождается выделением или поглощением энергии и где выделившаяся или поглотившаяся энергия обеспечивает распад или синтез химических связей. В общем же глобальном смысле обмен веществ и энергии является частным случаем общего закона сохранения вещества и энергии во Вселенной.

Нук­леи­но­вые ки­сло­ты

Нук­леи­но­вые ки­сло­ты при­над­ле­жат к тем хи­ми­че­ским со­еди­не­ни­ям, со­дер­жа­ние ко­то­рых в ор­га­низ­ме дос­та­точ­но ма­ло в ко­ли­че­ст­вен­ном от­но­ше­нии, но роль их в лю­бом жи­вом ор­га­низ­ме яв­ля­ет­ся оп­ре­де­ляю­щей.

Нук­леи­но­вые ки­сло­ты пред­став­ля­ют со­бой по­ли­ме­ры с длин­ной це­пью (по­ли­нук­лео­ти­ды), со­стоя­щие из мо­но­мер­ных еди­ниц, на­зы­вае­мых нук­лео­ти­да­ми. Ка­ж­дый нук­лео­тид в свою оче­редь со­сто­ит из трёх ком­по­нен­тов: азо­ти­сто­го ос­но­ва­ния, мо­но­са­ха­ри­да и фос­фор­ной ки­сло­ты.

I. Ис­то­рия от­кры­тия и изу­че­ния нук­леи­но­вых ки­слот

Нук­леи­но­вые ки­сло­ты бы­ли от­кры­ты в 1869 г. Ф. Ми­ше­ром, ко­то­рый вы­де­лил их из кле­точ­ных ядер гной­ных кле­ток. При этом вы­де­лен­ные нук­леи­но­вые ки­сло­ты бы­ли со­еди­не­ны с бел­ка­ми, об­ра­зуя нук­лео­про­теи­ды.

В 1889 г. Кос­сель пред­ло­жил для этих ве­ществ на­зва­ние «нук­леи­но­вые ки­сло­ты», по­сколь­ку, во-пер­вых, они бы­ли вы­де­ле­ны из кле­точ­ных ядер, а во-вто­рых, ре­ак­ция сре­ды в рас­тво­рах этих со­еди­не­ний бы­ла ки­слой.

В ин­ди­ви­ду­аль­ном со­стоя­нии нук­леи­но­вые ки­сло­ты бы­ли по­лу­че­ны Р. Альт­ма­ном в 1899 г. из кле­ток дрож­жей и А.Н. Бе­ло­зёр­ским в 1936 г. из рас­ти­тель­но­го ма­те­риа­ла. Та­ким об­ра­зом бы­ло ус­та­нов­ле­но, что нук­леи­но­вые ки­сло­ты со­дер­жат­ся в клет­ках всех жи­вых ор­га­низ­мов. Был про­ве­дён их хи­ми­че­ский ана­лиз и ус­та­нов­лен эле­мент­ный со­став нук­леи­но­вых ки­слот. Со­глас­но ис­сле­до­ва­ни­ям нук­леи­но­вые ки­сло­ты со­сто­ят из С, H, O, P (8–10%) и N (15–16%).

Дол­гое вре­мя вви­ду ог­ра­ни­чен­но­го пе­реч­ня хи­ми­че­ских ре­ак­ций, в ко­то­рые всту­па­ли нук­леи­но­вые ки­сло­ты, до­ми­ни­ро­ва­ли пред­став­ле­ния о них, как инерт­ных струк­ту­рах кле­точ­но­го яд­ра. Од­на­ко, в 1944 г. Бра­ше и Кас­пер­сон с по­мо­щью ге­не­ти­че­ских опы­тов ус­та­но­ви­ли взаи­мо­связь ме­ж­ду нук­леи­но­вы­ми ки­сло­та­ми и об­ме­ном бел­ков. С тех пор во всех био­хи­ми­че­ских ла­бо­ра­то­ри­ях ми­ра ста­ли про­во­дить­ся экс­пе­ри­мен­ты, ко­то­рые по­зво­ли­ли окон­ча­тель­но вы­яс­нить роль нук­леи­но­вых ки­слот в хра­не­нии и пе­ре­да­че на­след­ст­вен­ной ин­фор­ма­ции.

II. Вы­де­ле­ние нук­леи­но­вых ки­слот

Ис­поль­зу­ют­ся те же ме­то­ды, что и при вы­де­ле­нии бел­ков. Ос­нов­ным от­ли­чи­ем яв­ля­ет­ся то, что пе­ред вы­де­ле­ни­ем нук­леи­но­вых ки­слот нуж­но ра­зо­рвать связь их с бел­ка­ми (по­сколь­ку сво­бод­ных нук­леи­но­вых ки­слот в клет­ке прак­ти­че­ски не су­ще­ст­ву­ет). С этой це­лью из­мель­чён­ную в го­мо­ге­ни­за­то­ре био­мас­су на­стаи­ва­ют ча­ще все­го с на­сы­щен­ным рас­тво­ром фе­но­ла, за­тем энер­гич­но встря­хи­ва­ют в те­че­ние 1 ч и под­вер­га­ют цен­три­фу­ги­ро­ва­нию. В ре­зуль­та­те по­лу­ча­ют цен­три­фу­гат, со­стоя­щий из не­сколь­ких сло­ёв (как пра­ви­ло, 4). Верх­ний вод­ный слой и час­тич­но под­сти­лаю­щий его бе­лый вяз­кий слой со­дер­жат ос­нов­ную мас­су нук­леи­но­вых ки­слот.

По­ми­мо фе­ноль­но­го ме­то­да вы­де­ле­ния ами­но­кис­лот ис­поль­зу­ют об­ра­бот­ку на­сы­щен­ным рас­тво­ром NaCl с по­сле­дую­щим из­вле­че­ни­ем рас­тво­ром эта­но­ла, а так­же об­ра­бот­ку их со­ле­во­го экс­трак­та сме­сью хло­ро­фор­ма и изо­ами­ло­во­го спир­та.

По­лу­чен­ные лю­бы­ми спо­со­ба­ми пре­па­ра­ты под­вер­га­ют хро­ма­то­гра­фии, гель­фильт­ра­ции, ульт­ра­цен­три­фу­ги­ро­ва­нию или элек­тро­фо­ре­зу и по­лу­ча­ют пре­па­ра­ты ин­ди­ви­ду­аль­ных ами­но­кис­лот.