2. Введение в обмен веществ. Биологическое окисление

1. Важнейшие признаки живой материи. Особенности живых организмов, как открытых термодинамических систем.

Основные признаки живой материи

Основными признаками, отличающими живой организм от нежи­вого, являются следующие: 1) высокий уровень структурной организации (упорядоченность); 2) способность к эффективному преобразованию и использованию энергии; 3) обмен с окружающей средой и саморегуляция химических превращений; 4) самовоспроизведение. Рассмотрим отдельно каждый признак.

1. Высокий уровень структурной организации (упорядо­ченность).Если клетку разобрать на отдельные молекулы, а затем рас­положить их по степени сложности, получится своеобразная шкала уров­ней организации клетки (См. ниже рисунок иллюстрирующий иерархию живой материи).

Переход от простых биомолекул к сложным биоструктурам осно­вывается на физико-химических принципах самоорганизации, в основе которой лежат химические взаимодействия между молекулами в составе живой материи. Ковалентные связи обеспечивают все многообразие про­стых биомолекул и макромолекул.Укладка макромолекул в пространстве и организация надмоле­кулярных структур, органоидов и клетки осуществляется с участием сла­бых связей (водородных и ван-дер-ваальсовых). Ковалентные связи обу­словливают прочность и устойчивость биомолекул, а слабые связи обес­печивают лабильность биоструктур. Более сложная организация объяс­няет явления живой природы и отличия живой материи от неживой.

2. Способность к преобразованию и использованию энергии.Структурная организация (упорядоченность) живой природы связана с законами термодинамики. На первый взгляд, упорядоченность структуры живых организмов противоречит второму закону термодина­мики, согласно которому в изолированной системе спонтанные процессы происходят в направлении увеличения энтропии (беспорядка). Энтропия вселенной стремится к максимуму. Но под "вселенной" подразумевается система и ее окружение. Это важно подчеркнуть, так как энтропия системы может спонтанно уменьшаться до тех пор, пока окружающая среда может это скомпенсировать. Этим объясняется антиэнтропийность жи­вых организмов, являющихся открытыми системами (обмен с окружаю­щей средой веществом и энергией). Живые существа - очень упорядо­ченные структуры с низкой энтропией, однако они растут и поддержива­ют жизнь в силу того, что при их метаболизме генерируется избыток эн­тропии в окружающей среде.

Для поддержания структурной упорядоченности живые организ­мы постоянно расходуют энергию. Подчиняясь первому закону термоди­намики, они потребляют энергию из окружающей среды, преобразуют ее в удобную для использования форму и возвращают эквивалентное коли­чество энергии в окружающую среду в форме теплоты. Обмениваясь с внешней средой энергией и веществом, клетка является открытой нерав­новесной системой. Если бы эти процессы пришли в состояние равнове­сия, то упорядоченность клетки не могла бы поддерживаться за счет ок­ружающей среды, и она бы погибла.

3. Обмен с окружающей средой и саморегуляция химиче­ских превращений.Поступающие в клетку вещества используются как источник энергии и как строительный материал. Для построения нужных организму молекул поступающие извне вещества подвергаются хими­ческим превращениям. Продукты этих превращений, т.е. продукты обме­на, выводятся из организма во внешнюю среду. Биологические катализаторы белковой природы - ферменты - обеспечивают высокую скорость катализа, специфичность химических превращений и, самое главное, их саморегуляцию. Отсутствие в неживых объектах белков, в том числе и белков - ферментов, исключает у них возможность специфического об­мена веществ и саморегуляцию химических превращений.

4. Самовоспроизведение, передача наследственной ин­формации.Самым уникальным признаком живых организмов, полно­стью отсутствующим в неживой природе, является способность к само­воспроизведению. Все многообразие живых существ определяется на­следственной программой, заложенной в нуклеиновых кислотах. Генети­ческая информация хранится в дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК). Особенностью ее строения является потенциальная возможность самоко­пирования и, следовательно, передачи наследственных признаков от одного поколения организма к другому. Информация, заложенная в ДНК, реализуется через рибонуклеиновые кислоты (РНК) в структуре соответ­ствующего белка. При этом процесс передачи наследственной информа­ции не может происходить без белков. Очевидно, с образованием в ходе эволюции белков и нуклеиновых кислот сформировались первичные жи­вые организмы.

Особенности живых организмов, как открытых термодинамических систем.