Понятие о биологических системах. Основные особенности организации и функционирования биологических систем

Принципиальное различие  между сопряженной и несопряженной реакциями распада хорошо иллюстрирует схема на рис. 1.1.

 

 

Рис. 1.1 механическая модель, иллюстрирующая принцип сопряженных химических реакций. А – спонтанная реакция сгорания глюкозы до СО₂ и Н₂О с образованием только тепла. В – реакция окисления глюкозы, сопряженная с другой реакцией, которая может служить аналогией синтеза АТР. С – АТР представляет собой универсальную форму хранения энергии, которая может быть использована для инициирования других клеточных процессов (Alberts B. et al., Molecular biology of  the cell, New York, Garland, 1989).

 

 

На рисунке энергетически  выгодная реакция показана на примере падения камней с утеса. В этом случае кинетическая энергия падающих камней  практически целиком преобразуется в тепло при ударе о землю. Однако часть кинетической энергии можно использовать для приведения в движение лопастного колеса, поднимающего ведро с водой (рис. 1.1 В). В этом случае камни достигают  земли лишь проворачивая колесо. Самопроизвольная реакция падения камней оказывается непосредственно связанной с несамопроизвольной реакцией - подъемом ведра с водой. Поскольку часть энергии расходуется на выполнение работы, камни достигают  земли  с меньшей скоростью и, следовательно, меньшая часть энергии теряется в виде тепла.

В живых клетках ферменты играют такую  же роль, как лопастное  колесо в описанной выше модели. При этом они связывают (сопрягают) процессы окисления питательных веществ с реакциями, в которых образуется АТP. Энергию, запасенную в поднятом на некоторую высоту ведре с водой, можно небольшими порциями расходовать на приведение в движение разнообразных механизмов (рис. 1.1 С). Точно также энергия, аккумулированная в АТP, может расходоваться для обеспечения множества биохимических, в первую очередь биосинтетических реакций, необходимых клетке.

Одним из таких необычных ферментов  является глицеральдегид-3-фосфат-дегидрогеназа, катализирующая окислительное фосфорилирование глицеральдегид-3-фосфата до 1,3-дифосфоглицерата:

 

 

Глицеральдегид-3-фосфат-дегидрогеназа  участвует в гликолитическом  распаде глюкозы. При действии этого  фермента в его активном центре образуются различные виды фермент-субстратных промежуточных продуктов. В процессе превращения альдегида в ацилфосфат сначала происходит окисление альдегидной группы:

 

 

Такая реакция требует удаления гидрид-иона (:Н^-), отделение которого от альдегида сопряжено с преодолением мощного барьера, обусловленного наличием частичного положительного заряда на карбонильном атоме углерода:

 

 

Удаление гидрид-иона можно облегчить  за счет уменьшения положительного заряда на атоме углерода. Это достигается  присоединением нуклеофильного агента, который условно можно обозначить, как Х^-.

 

 

Гидрид-ион легко отделяется от образовавшегося промежуточного продукта, поскольку атом углерода больше не несет высокого положительного заряда. Присоединение к этому промежуточному соединению ортофосфата приводит к образованию ацилфосфата, имеющего высокий потенциал переноса фосфорильной группы. Описанная последовательность реакций получила название субстратного фосфорилирования:

 

Рассмотрим подробнее механизм каталитического дйствия глицеральдегид-3-фосфат-дегидрогеназы. Роль нуклеофильного агента Х^- играет сульфгидрильная группа остатка цистеина в активном центре фермента. Альдегидный субстрат реагирует с ионизованной формой сульфгидрильной группы цистеина с образованием полутиоацеталя (рис. 1.2). Следующим этапом реакции является перенос гидрид-иона. Акцептором гидрид-иона служит молекула NAD⁺, которая прочно связанв с ферментом. Продуктами реакции переноса гидрид-иона являются тиоэфир и восстановленный кофактор NADH. Образовавшийся тиоэфир представляет собой богатый энергией промежуточный продукт, соответствующий упомянутому ранее ацильному промежуточному продукту. NADH  отделяется  от фермента  и его место занимает NAD⁺. Затем с тиоэфиром взаимодействует неорганический ортофосфат с образованием богатого энергией 1,3-дифосфоглицерата. Процесс образования 1,3-дифосфоглицерата из глицеральдегид-3-фосфата имеет огромное значение, поскольку термодинамически невыгодная реакция образования ацилфосфата из карбоксилата:

 

 

компенсируется термодинамически выгодной реакцией окисления альдегида:

 

 

Эти две реакции - окисления альдегида  и образования ацилфосфата сопряжены  тиоэфирным промежуточным продуктом, который накапливает большую  часть энергии, освобождающейся  при реакции окисления. Таким  образом, роль механизма сопряжения в данном случае играет ковалентно связанный с ферментом промежуточный продукт. Схема, иллюстрирующая механизм действия глецеральдегид-3-фосфат-дегидрогеназы при ведена на рис. 1.2.

 

 

Рис. 1.2  Механизм каталитического действия глецеральдегид-3-фосфат-дегидрогеназы.

 

В условиях, существующих в цитоплазме клеток, гидролиз АТP с освобождением  неорганического фосфата (P_i) или неорганического пирофосфата (Р-Р_i) осуществляется очень легко и сопровождается выделением большого количества биологически полезной  энергии. Химическая группа (P_i), соединенная с АTP реакционноспособной связью, легко переходит на другую молекулу. Поэтому можно считать, что концевая фосфатная группа в АТP находится в активированном состоянии.

Прочие  химические реакции могут протекать за счет энергии, выделяющейся при гидролизе АТP при условии, что они сопряжены с этим процессом. Среди многих реакций, зависящих от гидролиза АТP, наиболее важными являются реакции синтеза биологических молекул, процессы активного транспорта через клеточные мембраны, а также реакции, определяющие механическое движение клеток.

Процессы этих трех основных типов  играют решающую роль в упорядочении биологических систем.  Макромолекулы, образующиеся  в биосинтетических реакциях хранят и переносят информацию (ДНК и РНК), катализируют специфические реакции (ферментный аппарат клетки) и организуются в исключительно упорядоченные структуры (например, белки цитоскелета клетки). Связанные с мембранами насосы и рецепторы поддерживают специфический внутриклеточный состав (Na⁺,K⁺-АТР-аза, К⁺,Н⁺-АТР-аза, бактериородопсин), способствуют   передаче внутриклеточных и межклеточных  сигналов (ацетилхолиновый рецептор и др.). Наличие механических  сил  и способности  к движению делает возможным самоорганизацию  цитоплазматического содержимого клетки, позволяет самим клеткам перемещаться  и  группироваться с образованием  специализированных тканей.

Отдельно следует указать, что  система ATP функционирует в стационарно-динамическом режиме. Это означает, что скорость использования ATP в качестве источника энергии, в точности уравновешивается  скоростью  рефосфорилирования ADP до  ATP, сопряженного  с окислением  в клетке органических молекул. Синтез ATP, сопряженный с окислением клеточного топлива регулируется, и поэтому скорость образования ATP из ADP и P_i всегда  оказывается достаточной для удовлетворения энергетических  потребностей клетки [5].

Хорошо известно, что значение изменения свободной энергии (DG) реакции является непосредственным показателем степени смещения равновесия реакции. Большая отрицательная величина DG гидролиза АТР в биосистеме отражает тот факт, что гидролиз АТР в клетке поддерживается на таком уровне, что реакция смещена от равновесия на 10 порядков. Если достигнуто равновесное протекание реакции (DG = 0) реакция будет в равной степени проходить в прямом и обратном направлении. Для процесса гидролиза АТР равновесие достигается тогда, когда подавляющая часть молекул АТР уже гидролизована: - такая ситуация имеет место в мертвой клетке.

Таким образом, подводя итог вышесказанному, следует отметить, что живые клетки являются в высшей  степени  упорядоченными системами,  причем  поддержание  упорядоченности необходимо им для  роста и  выживания. С термодинамической  точки  зрения это возможно   благодаря постоянному вводу энергии,  часть которой выделяется в окружающую среду в виде тепла. Первичным источником энергии является электромагнитное излучение Солнца. В фотосинтезирующих организмах  под его воздействием синтезируются органические молекулы. Организмы-гетеротрофы получают энергию используя  эти  органические молекулы в реакциях окисления, сопряженных с  образованием  ATP. В  свою очередь, гидролиз  ATP, сопряженный с другими реакциями, запускает множество энергетически невыгодных  процессов, обеспечивая тем самым создание упорядоченности в биологических системах.

 

 

1.2  Основные особенности   организации  биологических   систем

 

Все  живые  организмы  состоят  из  клеток - небольших,  окруженных  мембраной  полостей, заполненных  достаточно концентрированным водным  раствором химических соединений. Простейшие формы жизни - это одиночные клетки, размножающиеся простым делением. Более высоко организованные  формы жизни состоят  из огромного  количества  клеток, собранных в специализированные  группы,  и выполняющих  специфические функции.  Между этими группами клеток осуществляется  сложная  система   коммуникаций.

В настоящее  время считается, что все организмы  и  все  составляющие их клетки произошли  эволюционным путем  от общей  предковой  клетки. Два основных процесса эволюции заключаются в случайных изменениях генетической  информации, передаваемой в ряду поколений, с одной стороны, и в отборе генетической информации, способствующей выживанию и размножению своих носителей, с другой стороны.

Определенным  доказательством эволюционного  происхождения ныне  живущих организмов является тот факт, что каждый современный  организм содержит   информацию о  признаках живых организмов в  прошлом. В частности, структура  биополимеров, входящих в состав клеток, живущих в настоящее время одно- и многоклеточных организмов, позволяет судить об эволюционном пути, обнаруживая фундаментальное сходство между наиболее далекими организмами (универсальность генетического кода, сходство структуры гистонов эукариот), а также выявляя определенные различия между ними.

Условия,  существовавшие на Земле в первый миллиард лет ее истории, до сих пор  являются предметом научных споров. Можно только предполагать, что в  то далекое время обстановка на Земле  характеризовалась постоянными вулканическими извержениями, сильнейшими ливнями и мощными грозами. Считается, что практически отсутствовал кислород и, следовательно, не было озонового слоя, поглощающего жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца. В таких условиях, возможно, и возникали первые простейшие органические молекулы.

С целью подтверждения  подобных предположений были осуществлены модельные лабораторные эксперименты, суть которых заключалась в следующем: – через  нагретую смесь водяного пара и газов, таких как CO₂, NH₃, H₂, CH₄ пропускали электрические разряды или ультрафиолетовое излучение. В результате происходило образование малых органических молекул.

 

 

Рис. 1.3 Схематическое  изображение установки, имитирующей  первозданные условия на Земле. В  герметичной системе сосудов нагревают воду и через смесь водяных паров, содержащих СН₄, NH₃ и Н₂ пропускают электрические разряды. Образующиеся органические соединения накапливаются в U-образной ловушке  (Alberts B. et al., Molecular biology of  the cell, New York, Garland, 1989).

 

Обычно набор этих молекул невелик, но они синтезируются в  довольно больших  количествах. Среди этих молекул в результате анализа  смеси были обнаружены формальдегид, уксусная кислота, глицин, аланин, аспарагиновая  кислота, муравьиная, молочная  и  синильная кислоты, мочевина. Среди обнаруженных продуктов ряд соединений таких, как  HCOH и HCN в водной среде легко реагируют с другими органическими веществами. Достаточно вспомнить из курса биоорганической химии, что удлинение углеродной цепи моносахаридов может быть достигнуто циангидриновым методом.

Наиболее важным результатом таких  экспериментов является то, что в  конце концов удается получить четыре основных класса внутриклеточных малых органических молекул, а именно: аминокислоты, нуклеотиды, сахара и жирные кислоты. Хотя подобные модельные условия не могут в точности воспроизвести условия, существовавшие на Земле ранее, описанные лабораторные эксперименты показывают, что органические молекулы образуются довольно легко. Кроме того, формирующаяся Земля имела бóльшие преимущества перед любым  экспериментом, поскольку она была велика и обеспечивала широкий спектр самых разнообразных условий для проведения подобных синтезов. И еще одно важное обстоятельство – в распоряжении планеты для «осуществления органического синтеза» были сотни миллионов лет, в течение которых в определенных местах могли накапливаться в больших количествах многие простые органические молекулы, входящие в состав современных клеток [6,7].

Простые органические соединения, такие  как аминокислоты или нуклеотиды могут взаимодействовать друг с другом с образованием больших полимеров. Аминокислоты взаимодействуют с образованием пептидных связей, а нуклеотиды соединяются в полинуклеотиды посредством фосфодиэфирных связей. У современных организмов полипептиды (чаще называемые белками) и полинуклеотиды, представленные  молекулами РНК и ДНК, считаются наиболее важными компонентами клеток. Полипептиды состоят из 20 разных аминокислот, а молекулы ДНК или РНК из 4  типов нуклеотидов. Почему именно эти мономеры, а не другие, с похожими химическими свойствами, были отобраны для биосинтеза биополимеров до сих  пор остается не ясным.

Самые первые полимеры (полипептиды  и полинуклеотиды) могли образоваться несколькими  способами,  например, при  разогреве сухих органических соединений или в результате каталитического воздействия высоких концентраций неорганических полифосфатов.

В условиях in vitro удалось провести аналогичные синтетические реакции, в ходе которых были получены полимеры различной длины со случайными последовательностями. Но, как оказалось, уж если полимер образовался, он способен оказывать влияние на процесс образования других полимеров. Особенно это касается полинуклеотидов,  которые могут служить матрицей для синтеза других полимеров и определять последовательность  нуклеотидов в них за счет специфического спаривания оснований. Специфическое спаривание комплементарных нуклеотидов  сыграло,  по всей видимости, решающую роль в возникновении жизни. Благодаря способности нуклеотидов комплементарно спариваться, последовательность оснований в молекуле РНК в присутствии активированных мононуклеотидов будет направлять (в условиях благоприятствующих полимеризации) синтез другой РНК [8]. На первой стадии информация, заключенная в исходной РНК, сохраняется в новообразованных комплементарных цепях, а на второй стадии копирование новообразованных молекул РНК восстанавливает исходную последовательность.