- •Концепции современного естествознания. Биология
- •Тема 1. Концепция системной многоуровневой организации жизни 8
- •Тема 2. Концепция материальной сущности жизни 17
- •Тема 3. Концепция биологической информации и самовоспроизведения жизни. Онтогенез 37
- •Сегмент 2. Значение общей биологии
- •Сегмент 3. Методы биологии
- •Сегмент 4. Основные концепции современной биологии
- •Тема 1. Концепция системной многоуровневой организации жизни
- •Сегмент 5. Системная организация
- •Сегмент 6. Уровни организации живой материи
- •Сегмент 7. Молекулярно-генетический уровень
- •Сегмент 8. Онтогенетический уровень
- •Сегмент 9. Популяционно-видовой уровень
- •Сегмент 10. Биогеоценотический уровень
- •Заключение по теме 1
- •Тема 2. Концепция материальной сущности жизни
- •Сегмент 11. Механицизм и витализм в истории биологии
- •Сегмент 12 живая материя и ее основная форма движения. Обмен веществ и энергии в живой системе
- •Сегмент 13. Трансформация и использование энергии
- •Сегмент 14. Белки – структурно-функциональная основа жизни
- •Сегмент 15. Опора и движение
- •Сегмент 16. Транспорт веществ
- •Сегмент 17. Ферментативный катализ (биокатализ)
- •Сегмент 18. Защитные реакции. Иммунитет
- •Сегмент 19. Сигнализация. Гормональная и нервная регуляция
- •Заключение по теме 2
- •Тема 3. Концепция биологической информации и самовоспроизведения жизни. Онтогенез
- •Сегмент 20. Самовоспроизведение - важнейшее свойство жизни. Общая схема онтогенеза
- •Сегмент 21. Преформизм и эпигенез в истории эмбриологии
- •Сегмент 22. Генотип и фенотип организма. Центральная догма молекулярной биологии
- •Сегмент 23. Репликация днк и размножение клеток
- •Сегмент 24. Формы размножения организмов. Клонирование
- •Сегмент 25. Развитие организма
- •Заключение по теме 3
- •Тема 4. Концепция саморегуляции живых систем
- •Сегмент 26. Саморегуляция и гомеостаз
- •Сегмент 27. Внутриклеточная саморегуляция
- •Сегмент 28. Саморегуляция многоклеточного организма
- •Сегмент 29. Саморегуляция в экосистемах
- •Заключение по теме 4
- •Тема 5. Концепция самоорганизации и биологической эволюции. Филогенез
- •Сегмент 30. Проблема самоорганизации и наука синергетика
- •Сегмент 31. Возникновение жизни на земле
- •Сегмент 32. Этапы развития жизни на земле и современное биоразнообразие
- •Сегмент 33. Факторы биологической эволюции
- •Сегмент 34. Происхождение и эволюция человека
- •Заключение к теме 5
- •Рекомендуемая литература
Сегмент 17. Ферментативный катализ (биокатализ)
Катализ - это возбуждение или изменение скорости химических реакций с помощью внешних добавок - катализаторов. Катализ используется в химической промышленности при получении аммиака, серной и азотной кислот, моторного топлива, разнообразных полимеров. Широко распространен катализ и в живых организмах.С участием катализаторов реализуется генетическая информация и осуществляются все процессы обмена веществ и энергии. Катализ происходит в клетках, в межклеточных жидкостях и полостях, в пищеварительном тракте.
В роли катализаторов биохимических реакций выступают специальные белки, называемые ферментами. При сравнительно низких концентрациях реагирующих веществ и при нормальных температурах (не выше 40 градусов) клеточные реакции ускоряются с помощью ферментов в миллионы и миллиарды раз! Различаютанаболитические, направленные на синтез,и катаболитические, направленные на распад,ферментативные реакции. Несколько разных ферментов могут образовывать цепочки (метаболические пути), по которым совершаются цепные реакции: вещество (субстрат) передается от фермента к ферменту и подвергается поэтапной перестройке - усложнению или, наоборот, деградации. Чаше всего такие полиферментные комплексы выстраиваются на мембранах клетки или ее органоидов.
Как действуют ферменты?Ферменты очень специфичны по типу катализируемой реакции. Известно несколько тысяч ферментов разного действия, и каждый из них имеет специфическую, отличную от других пространственную структуру. Молекула фермента представляет свернутую полипептидную нить, в определенном месте которой включен небелковый компонент - кофермент (часто это бывают витамины, ионы металлов). Именно этот специфичный участок отвечает за функцию фермента, он называется активным центром.Благодаря молекулярной специфичности своих активных центров ферменты узнают и захватывают нужные вещества-субстраты, сближают их для соединения (синтеза) или, напротив, разделяют в реакциях распада (лизиса). При этом сам фермент не разрушается, а лишь изменяет свою третичную белковую структуру - происходит кратковременная и обратимая денатурация молекулы, ее конформационная перестройка(рис. 8).
Рис. 8
Хотя ферменты и понижают многократно энергию активации соответствующих реакций, для их осуществления все же требуется определенная энергия. Энергия может генерироваться окислительно-восстановительными кофакторами - такими, как НАД, ФАД или гем. Ферменты класса синтетаз (лигазы) способнырасщеплять молекулу АТФ до АДФ и фосфата и используют выделенную энергию на свою конформационную перестройку(см. сегмент 13 и рис. 5). После произведенной работы по синтезу сложного вещества большая часть энергии не исчезает и не уходит в виде тепла - она лишь переходит в новые химические связи синтезируемого вещества. Впоследствии - в случае расщепления этого вещества - энергия может быть снова извлечена для производства другой работы.
Даже не вдаваясь в детали ферментативного катализа, видно, что эта важнейшая биологическая функция реализуется как сумма простых физико-химических реакций. Важнейшие из них - стереохимическое молекулярное узнавание субстрата ферментом и конформационная перестройка молекулы белка-фермента, суть которой, как и в реакциях мышечного сокращения или активного транспорта, состоит в обратимом изменении силы химических связей внутри молекулы. Изучение зависимости скорости ферментативной реакции от концентрации фермента и субстрата показало, что в простейших случаях она описывается уравнением Михаэлиса-Ментен. Из этого следует, что в основе ферментативных реакций лежат те же законы и принципы, на которых основаны обычные химические реакции. Однако единая теория ферментативного катализа до сих пор не разработана, так как механизмы протекания ферментативных реакций очень сложны, многофакторны и разнообразны, зависят от большого числа переменных величин, от взаиморасположения ферментов на мембранах и в ряде случае пока не поддаются математическому описанию. В этом и проявляетсяэмерджентная специфика биологических реакций как специфика нового уровня сложности(см. сегмент 5).