Файл: Концепций Современного Естествознания.doc

Белки в клетке выполняют структурную (строительную), сократительную (двигательную), ферментативную (каталитическую), сигнальную, защитную, транспортную, регуляторную и энергетическую функции.

Углеводы – органические соединения, в состав которых входят углерод, водород и кислород. Углеводы делятся на моносахариды – простые сахара, состоящие из трех или более атомов углерода (глюкоза, фруктоза, рибоза и дезоксирибоза); дисахариды, образованные из двух молекул моносахаридов с выделением молекулы воды (сахароза, лактоза, мальтоза и др.); полисахариды, образованные из множества остатков молекул моносахаридов (крахмал, гликоген, целлюлоза).

Углеводы в клетке выполняют энергетическую, запасающую, строительную и опорную функции. Мономером сложных углеводов является глюкоза.

Жиры или липиды – это сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот. Важнейшими группами липидов являются стероиды (холестерол, половые гормоны, витамин Д и др.), терпены (ростовые вещества растений), воска, фосфо- и гликолипиды, липопротеины.

Липиды в клетке выполняют энергетическую, структурную, защитную (участвуют в процессах терморегуляции организма) функции и служат источником воды.

Нуклеиновые кислоты – высокомолекулярные органические соединения, хранящие и передающие наследственную информацию. Нуклеиновые кислоты впервые описал в 1868 г. Ф. Мишер, однако модель молекулы ДНК была предложена только в 1953 г. Дж. Уотсоном и Ф. Криком, за что они и получили нобелевскую премию. Различают дезоксирибонуклеиновую (ДНК) и рибонуклеиновую (РНК) кислоты. Мономером нуклеиновых кислот является нуклеотид, состоящий из азотистого основания, пятиатомного углерода и остатка фосфорной кислоты. Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепочек и представляет собой двойную спираль. ДНК локализуется в ядре клетки, здесь она входит в состав хромосом. Кроме того, ДНК содержится в матриксе митохондрий и пластид. Важнейшим свойством ДНК является его способность к самоудвоению (редупликация). В основе синтеза ДНК лежит принцип комплементарности. Благодаря матричному синтезу наследственная информация в дочерних клетках строго соответствует материнской. Последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК кодирует наследственную информацию.

Молекула РНК состоит из одной полинуклеотидной цепочки. Существует три вида РНК – информационная (и-РНК), транспортная (т-РНК) и рибосомальная (р-РНК). Они отличаются размерами молекул, структурой и функцией. Все виды РНК синтезируются на молекуле ДНК как копии ее участков. И-РНК переносит информацию с молекулы ДНК на рибосомы, где эта информация реализуется при биосинтезе белка. Т-РНК осуществляет перенос аминокислот в процессе биосинтеза белка. Р-РНК входит в состав рибосом, на которых синтезируется белок.

---

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) – мононуклеотид, содержащий аденин, рибозу и три остатка фосфорной кислоты. АТФ в клетке выполняет энергетическую роль и является участником всех биохимических реакций.

Свойства веществ, обеспечивающие их участие в построении живых систем:

1. высокая упорядоченность и сложная организация на молекулярном уровне;

2. зеркальная асимметрия и хиральная чистота. Зеркальная асимметрия обуславливает существование зеркальных изомеров, которые отличаются друг от друга, как предмет отличается от своего отображения. Эти изомеры отличаются только оптической активностью, т.е. они по-разному вращают плоскость поляризованного луча. Остальные свойства у них одинаковые. Способность органических веществ существовать в двух зеркальных формах называется хиральностью. Смесь равных количеств α- и d-изомеров оптической активностью не обладает и называется рацелической. В неживой природе наблюдается рацелизация, т.е. равновесие между α- и d-формами. Следовательно, неживая природа зеркально симметрична. В живой природе все вещества, слагающие организмы, обладают хиральной чистотой: все белки содержат только α-аминокислоты, поэтому вторичная структура белков – правозакрученная спираль; все нуклеиновые кислоты содержат только d –сахара, поэтому ДНК и РНК – левозакрученные спирали. Природа знает лучше. Она создала хиральную чистоту и не терпит хиральной загрязненности. Рацелические НК и белки не способны свертываться в спираль и осуществлять свои функции.

3. каталитическая активность. Все биохимические реакции являются каталитическими. При этом катализаторами являются ферменты, к которым в клетке относятся НК и белки. Ферменты имеют строго определенный состав и строение частиц, что обеспечивает специфичность их действия, т.е. каждый фермент катализирует строго определенную реакцию. Ферменты имеют различную энергоемкость, что обеспечивает их лабильность. Фермент, чаще всего, состоит из двух частиц: белковой части (апофермента) и небелковой части (кофермента).

3. В 19 в. Ф. Энгельс определяет жизнь в своей работе «Диалектика природы», как «способ существования белковых тел, существенным моментом которых является обмен веществ с окружающей средой». Это определение опередило свое время, но устарело сейчас, т.к. сами по себе белковые молекулы не способны к самовоспроизводству.

В середине 20 в. М.В. Волькенштейн дает такое определение жизни: «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые, самовоспроизводящиеся, саморегулирующиеся системы, построенные из биополимеров: белков и нуклеиновых кислот».

Вирусы – это переходная форма от неживого к живому, т.к. вирусы имеют ДНК, но не имеют белков-ферментов и поэтому могут размножаться только в живых клетках, используя ее ферментативную систему.

---

С точки зрения химика – земная жизнь – это существование белков и НК на фоне воды.

Фундаментальными свойствами живого являются самообновление, самовоспроизведение и саморегуляция. Они обуславливают основные признаки жизни – обмен веществ и энергии, размножение, развитие, наследственность и изменчивость, дискретность и целостность, гомеостаз.

Обмен веществ и энергии состоит из двух взаимосвязанных процессов – ассимиляции (синтеза органических веществ) и диссимиляции (процесса распада сложных органических веществ с выделением энергии). Именно обмен веществ и обеспечивает относительное постоянство химического состава организма (гомеостаз).

Еще одно свойство живых организмов – это способность к самовоспроизводству. Благодаря этой способности не прекращается существование вида. В основе самовоспроизведения лежит образование новых молекул и структур на основе информации, заложенной в ДНК.

С этим свойством живого тесно связано явление наследственности (способность организма передавать свои признаки и свойства, а также особенности развития следующим поколениям) и изменчивости (способность организма приобретать новые признаки и свойства). Именно изменчивость создает материал для отбора наиболее приспособленных к данным условиям существования особей. В конечном счете это приводит к появлению новых видов живых организмов.

Любому живому организму свойственна также способность к росту и развитию. В результате развития возникает новое качественное состояние живой материи.

Еще одно общее свойство всех живых организмов – это раздражимость. Это свойство связано с передачей информации из внешней среды биологической системе. Благодаря этому свойству живые организмы способны избирательно реагировать на меняющиеся условия внешней среды, приспосабливаясь к ней.

И, наконец, всеобщим свойством живой материи является дискретность, т.е. прерывистость. Любая биологическая система состоит из отдельных взаимодействующих частей, которые вместе образуют структурно-функциональное единство.

Отдельные функции встречаются у неживых систем, но только их комплекс отличает живое от неживого.

Основные признаки живого с точки зрения синергетики:

1. живые системы способны к избыточному самовоспроизводству, что ведет к борьбе за жизнь и естественному отбору;

2. компактность. Живые системы содержат информацию о строении и функциях организма в ДНК, размеры и масса которой ничтожна, по сравнению с самим организмом;

3. живые системы – это высокоорганизованные системы с низкой энтропией (мера хаоса, мера обесцененной энергии). Чтобы не достичь состояния термодинамического равновесия, т.е. смерти, организм должен постоянно бороться с возрастанием энтропии. Для этого есть два пути:

• поглощая из внешней среды высокомолекулярные вещества пищи с низкой энтропией, живые организмы возвращают в окружающую среду низкомолекулярные вещества с высокой энтропией. Следовательно, живые системы – это открытые системы;

• деятельность, благодаря которой энергия превращается в полезную работу. Бездеятельность ведет к бесполезному рассеиванию энергии, т.е. возрастанию энтропии (смерти);

---

4. жизнь организма зависит от двух факторов: наследственности и изменчивости. Следовательно, для живых систем характерно диалектическое единство симметрии и асимметрии;

5. живые организмы – это системы с обратной связью, т.е. реакцией на внешнее воздействие. Различают два вида обратной связи: отрицательная, т.е. такое поведение, которое уменьшает внешнее воздействие. Цель такого поведения – обеспечить стабильность (постоянство) – гомеостаз; и положительная связь, т.е. такое поведение, которое усиливает внешнее воздействие. Благодаря положительным связям организмы могут эволюционировать, эффективно использовать внешнее воздействие;

6. живые системы – это неравновесные системы, что дает возможность реагировать на внешние воздействия; обеспечивает случайное поведение системы, не зависящей от предистории; создает приток энергии в систему, определяя в ней порядок и уменьшая энтропию.

Таким образом, с позиции синергетики, живые системы – это сложные, упорядоченные, компактные, открытые, неравновесные, самовоспроизводящиеся системы с низкой энтропией и обратной связью. Живой считается система, способная эволюционно самоорганизовываться, адаптивно и агрессивно взаимодействовать с окружающей средой, повышать свою структурную организацию и кооперировать свои внутренние процессы.

4. В основе воспроизводства жизни лежат процессы размножения. Размножение – свойство живого организма воспроизводить себе подобных, обеспечивающее непрерывность и преемственность жизни в ряду последовательных поколений. В процессе эволюции сформировались два типа размножения – бесполое и половое. Бесполое размножение – это способ размножения, в котором участвует только одна родительская особь; за счет деления ее соматических клеток образуются новые особи, генотипически идентичные исходной родительской. При бесполом размножении половые клетки не образуются. К бесполому размножению относятся вегетативное размножение, при котором новый организм образуется из части материнского (части тела, почкование, фрагментация) и спорообразование (размножение посредством спор). Половое размножение – способ размножения, при котором новая особь развивается в результате слияния половых клеток (женских – яйцеклеток и мужских – сперматозоидов или спермий). Процесс слияния половых клеток носит название оплодотворения. Таким способом размножаются все эукариоты. Различают три разновидности полового размножения: конъюгация (сближение двух соматических клеток и образование между ними цитоплазматического мостика, через который осуществляется обмен наследственным материалом, после чего особи расходятся – у инфузорий); копуляция (слияние двух одинаковых или разных по форме, размерам и подвижности половых клеток – гамет); партеногенез (новый организм развивается из неоплодотворенной яйцеклетки – у плоских червей, насекомых, сложноцветных, пасленовых, злаковых и др.)

---

Основой размножения является процесс деления клеток. В природе различают три типа деления клеток: митоз, мейоз и амитоз. Митоз – это непрямой способ деления соматических клеток, при котором образуется две дочерние клетки с идентичным набором хромосом, что был в родительском ядре. Митоз впервые наблюдал в спорах плаунов рус. ученый И.Д. Чистяков в 1874 г. Биологическое значение митоза состоит в том, что происходит строго одинаковое распределение между дочерними клетками материальных носителей наследственности – молекул ДНК, входящих в состав хромосом. Амитоз – прямое деление интерфазного ядра путем перетяжки без образования веретена деления (у одноклеточных организмов, опухолевых клетках, клетках печени, хрящевых клетках). Мейоз – это непрямое деление половых клеток и спор, при котором образуется четыре дочерние клетки с уменьшенным вдвое количеством хромосом. Впервые он был описан В. Флемингом в 1882 г. у животных и Э. Страсбургером в 1888 г. у растений. Важнейшее значение мейоза заключается в обеспечении постоянства кариотипа в ряду поколений организмов данного вида и обеспечении чрезвычайного разнообразия генетического состава гамет.

Основной структурной единицей новых клеток является белок, который синтезируется на рибосомах клетки. Информация о структуре белков организма закодирована в ДНК, расположенной в хромосомах. Участок ДНК, кодирующий информацию об одном белке, называется геном. Многообразие генов ДНК составляет генетический код данного организма или генотип. Биосинтез белка протекает в три этапа: редупликации (удвоение молекул ДНК), транскрипции (в ядре осуществляется списывание информации о структуре белковой молекулы с ДНК на и-РНК по принципу комплементарности (дополнительности) и трансляции (синтез полипептидных цепей белков по матрице и-РНК).

В процессе биосинтеза белка принимают участие следующие вещества: аминокислоты (из них строится белок), нуклеиновые кислоты – ДНК и РНК (участвуют в хранении и передаче наследственной информации), АТФ (обеспечивает энергией все биохимические процессы), ферменты (являются катализаторами биохимических процессов).

5. Под уровнем организации живой материи понимают то функциональное место, которая данная биологическая структура занимает в общей системе организации мира.

Все объекты живой и неживой природы по строению представляют собой системы, для которых характерно иерархическое соподчинение входящих в них элементов, т.е. структурных уровней организации.

Проблема различной степени упорядоченности и организованности живой материи возникла у натуралистов еще в 18-19 вв. Первым толчком к ее проявлению послужило провозглашение в 1830 г. клеточной теории. А в 1846 г. М. Шлейден сформулировал положение о существовании живых тел «различного порядка организованности». Незадолго до этого Э. Геккель выдвинул гипотезу, согласно которой протоплазма клетки не однородна, а состоит из каких-то надмолекулярных частиц.

---