5. Ферментативный катализ (гл. IV). Биоэнергетика клетки (гл. V)

Основной чертой химических превращений в живых системах является участие в них специфических биологических катализаторов – ферментов, для которых, во-первых, характерна исключительно высокая избирательность по отношению к веществам, превращения которых они катализируют (субстратам), и, во-вторых, способность катализировать химические превращения при температурах (20÷40)°С в водных растворах со значением рН близким к нейтральному (рН = 7), когда скорость большинства химических реакций очень мала. Обязательными компонентами всех ферментов являются белки, которые способны, с одной стороны, опознавать определенные субстраты, обеспечивая тем самым высокую специфичность биокатализа, а с другой стороны, задавать оптимальную ориентацию субстратов относительно функциональных групп ферментов, что является одним из условий высокой эффективности катализа. В 80-е годы прошлого века были открыты также ферменты, построенные из молекул рибонуклеиновых кислот (рибозимы).

Кроме ферментов в химических превращениях важную роль играют специальные кофакторы – ионы металлов или сложные органические молекулы, функциональная деятельность которых координируется белковой частью фермента.

Наиболее высокоорганизованными являются ферменты, обеспечивающие синтез новых молекул биополимеров, белков и нуклеиновых кислот. Такие ферменты не только катализируют образование пептидных или межнуклеотидных связей, но и воспринимают информацию, поступающую в виде специальных информационных рибонуклеиновых кислот.

Химические превращения играют огромную роль в обеспечении жизнедеятельности организма энергией. Оптимальный коэффициент полезного действия таких превращений обеспечивается системой последовательных реакций, оптимизированных по энергетике и осуществляемых каскадом ферментов. В зависимости от конкретной биологической ситуации отдельные реакции могут включаться или выключаться, так что и скорость превращений, и энерго-производительность могут изменяться в широких пределах. Организация химических превращений в виде регулируемых систем каталитических реакций является также одной из важнейших особенностей живых организмов.

Поскольку в организме температура и давление не должны испытывать значительных колебаний, то химические реакции в биологии представляют собой единственный способ передачи энергии от экзергонической реакции, идущей с выделением свободной энергии, к сопряженной с ней эндергонической реакции, поглощающей энергию (см. гл. V). Передача энергии происходит благодаря образованию общего промежуточного продукта. Наличие общего промежуточного продукта – центральный принцип всей биоэнергетики.

6. Биологические объекты – открытые системы (гл. VII)

Живой организм не находится в состоянии термодинамического равновесия с окружающей средой. При равновесии с окружающей средой живое перестает быть живым. Живой организм представляет собой выделенную, целостную физико-химическую систему с характерными для нее параметрами. Эта система в условиях непрерывно изменяющихся внешних условий поддерживается в стационарном состоянии благодаря непрерывно протекающим биологическим процессам. Биологические процессы регулируются, главным образом, нервной и эндокринной системами. Комплекс реакций, направленных на защиту организма от инфекционных агентов и веществ, осуществляет иммунная система.

Таким образом, биологические объекты являются открытыми системами, которые находятся в неравновесном состоянии. Они взаимодействуют со средой, из которой черпают энергию. Функционирование живого организма основано на том, что он захватывает и перерабатывает потоки энергии, вещества и информации из внешней среды. При этом энтропия открытой (биологической) системы может даже уменьшаться со временем. В этом смысле Шредингер в книге «Что такое жизнь с точки зрения физики» писал, что организм питается отрицательной энтропией.