Гравітація і електродинаміка Організація живої матерії Каталітичні реакції

ложившееся к 60-м гг. C ложівшееся до 60-х рр.. 20 в. уявлення про структурності живого. Життя на Землі представлена ​​індивідуумами певної будови, що належать до певних систематичних груп, а також спільнотами різної складності. Індивідууми володіють молекулярної, клітинної, тканинної, органної структурністю; спільноти бувають одновидових і багатовидові. Індивідууми і спільноти організовані в просторі і в часі. За підходу до їх вивчення можна виділити декілька. основних В. о. ж. м. на базі різних способів структурно-функціонального об'єднання складових елементів: молекулярному, субклітинному, клітинний, органотканевий, організменний, популяційно-видовий, біоценотіческій, биогеоценотический, біосферний.

1. Молекулярний

Будь-яка жива система, як би складно вона була організована, складається з біологічних макромолекул: нуклеїнових кислот, білків, полісахаридів, а також інших важливих органічних речовин. З цього рівня починаються різноманітні процеси життєдіяльності організму: обмін речовин і перетворення енергії, передача спадкової інформації та ін

Молекулярний рівень складає предмет молекулярної біології, що вивчає будову білків, їх функції як ферментів або елементів цитоскелету, роль нуклеїнових кислот у зберіганні, реплікації і реалізації генетичної інформації, тобто процеси синтезу ДНК, РНК і білків. На цьому рівні досягнуті великі практичні успіхи в галузі біотехнології та генної інженерії.

2. Субклітинних

На рівні субклітинних, або надмолекулярних, структур вивчають будову і функції органоїдів (хромосом, мітохондрій, рибосом тощо), а також ін включень клітини.

3. Клітинний

Клітина - структурна і функціональна одиниця, а також одиниця розвитку всіх живих організмів, що мешкають на Землі. На клітинному рівні сполучаються передача інформації та перетворення речовин і енергії

Особливий В. о. ж. м. - клітинний; біологія клітини (цитологія) - один з основних розділів сучасної біології, включає проблеми морфологічної організацій клітини, спеціалізації клітин у ході розвитку, функцій клітинної мембрани, механізмів і регуляції поділу клітини. Ці проблеми мають особливо важливе значення для медицини, зокрема, складаючи основу проблеми раку.

Вивчення клітин, які виступають в ролі самостійних організмів (бактерії, найпростіші і деякі інші організми) і клітин, складових багатоклітинні організми.

4. Органотканевий

Клітини, що мають спільне походження і виконують подібні функції, утворюють тканини. Виділяють кілька типів тварин і рослинних тканин, що володіють різними властивостями.

У організмів, починаючи з кишковопорожнинних, формуються органи (системи органів), часто з тканин різних типів.

Клітини багатоклітинних організмів утворюють тканини - системи подібних за будовою і функцій клітин і пов'язаних з ними міжклітинних речовин. Тканини інтегруються в більші функціональні одиниці, звані органами. Внутрішні органи характерні для тварин; тут вони входять до складу систем органів (дихальної, нервової та ін.) Наприклад, система органів травлення - порожнина рота, глотка, стравохід, шлунок, дванадцятипала кишка, тонка кишка, товста кишка, задній отвір. Подібна спеціалізація, з одного боку, покращує роботу організму в цілому, а з іншого - вимагає підвищення рівня координації та інтеграції різних тканин і органів.

На органотканевом рівні основні проблеми полягають у вивченні особливостей будови і функцій окремих органів і складових їх тканин.

5. Організменний

Цей рівень представлений одноклітинними та багатоклітинними організмами.

Елементарною одиницею организменного рівня служить особина, яка у розвитку - від моменту зародження до припинення існування - як жива система. Виникають системи органів, спеціалізованих для виконання різних функцій.

Сукупність організмів одного і того ж виду, об'єднана загальним місцем проживання, у якій створюється популяція - надорганизменная система. У цій системі здійснюються елементарні еволюційні перетворення.

На організменному рівні вивчають особину і властиві їй як цілому риси будови, фізіологічного. процеси, в ​​т. ч. диференціювання, механізми адаптації (акклімаціі) і поведінки, зокрема - нейрогумоарльние механізми регуляції, функції ЦНС.

6. Популяційно-видовий

Організми одного і того ж виду, спільно мешкають в певних ареалах, складають популяцію. Зараз на Землі налічують близько 500 тис. видів рослин і близько 1,5 млн. видів тварин.

На популяційно-видовому рівні вивчають фактори, що впливають на чисельність популяцій, проблеми збереження зникаючих видів, динаміки генетичного складу популяцій, дію факторів мікроеволюції і т. д. Для господарської діяльності людини важливі такі проблеми популяційної біології, як контроль чисельності видів, що завдають шкоди господарству, підтримання оптимальної чисельності експлуатованих і охоронюваних популяцій.

7. Біоценотіческій, биогеоценотический

Представлений сукупністю організмів різних видів, в тій чи іншій мірі залежать один від одного.

Біогеоценоз - сукупність організмів різних видів і різної складності організації з чинниками середовища їх проживання. У процесі спільного історичного розвитку організмів різних систематичних груп утворюються динамічні, стійкі спільноти.

На биогеоценотическом і биоценотическом рівнях провідними є проблеми взаємовідносин організмів у біоценозах, умови, що визначають їх чисельність і продуктивність біоценозів, стійкість останніх і роль впливу людини на збереження біоценозів та їхніх комплексів.

8. Біосферний

Вища форма організації живого. Включає всі біогеоценози, пов'язані спільним обміном речовин і перетворенням енергії.

Біосфера - сукупність усіх біогеоценозів, система, яка охоплює всі явища життя на нашій планеті. На цьому рівні відбувається кругообіг речовин і перетворення енергії, пов'язані з життєдіяльністю всіх живих організмів.

На біосферному рівні сучасна біологія вирішує глобальні проблеми, наприклад, визначення інтенсивності утворення вільного кисню рослинним покривом Землі або зміни концентрації вуглекислого газу в атмосфері, пов'язаного з діяльністю людини.

Поділ живої матерії і проблем біології за рівнями організації хоча й відображає об'єктивну реальність, але в той же час є умовним, тому що майже всі конкретні завдання біології стосуються одночасно кількох рівнів, а нерідко і всіх відразу. Наприклад, проблеми еволюції або онтогенезу не можуть розглядатися тільки на рівні організму, тобто без молекулярного, субклітинного, клітинного, органотканевого, а також популяційно-видового і биоценотическом рівнів; проблема регулювання чисельності спирається на молекулярний рівень, але стосується також всіх вищестоящих, включаючи такі аспекти, як, наприклад, забруднення всієї біосфери. За наявністю специфічних елементарних одиниць і явищ вважається достатнім виділення 4 основних В. о. ж. м. (табл.). Подання про В. о. ж. м. наочно відображає системний підхід у вивченні живої природи

3 Приклад декількох каталітичних реакцій. Принцип дії каталізатора

Для того щоб пройшла хімічна реакція, потрібно, щоб молекули зіткнулися. З кінетичної енергії таких зіткнень можна почерпнути енергію, необхідну для того, щоб розірвати або послабити хімічні зв'язки в молекулах реагентів. У результаті теплового руху за 1 с. відбуваються трильйони зіткнень молекул, лише поодинокі з яких призводять до хімічного перетворення. Тобто реагують тільки ті молекули, які в момент зіткнення володіють достатньою сумарною енергією. Ця енергія, звана енергією активації (Еа), характеризує ту мінімальну енергію, якою повинна володіти молекула (або молекули), щоб вступити в хімічну реакцію. Графічно ця величина відповідає величині бар'єру (освіта перехідного стану), який необхідно подолати для здійснення хімічної реакції. У результаті багато хто навіть термодинамічно дозволені (вигідні) реакції практично не йдуть з-за дуже високої енергії активації.

Згадаймо реакцію окислення аміаку, який здатен горіти в чистому кисні (з величезною працею на повітрі) з утворенням азоту та парів води. Реакція йде тільки при високій температурі. Додавання ж порошку оксиду хрому (Cr O ) Призводить до "вогненному дощу" із цих частинок. и воду. Йде реакція (екзотермічна, тобто з виділенням теплоти), продукти якої містять NO і воду. Оксид хрому, що є в реакції каталізатором, не змінюється, але спрямовує реакцію по енергетично більш вигідним шляху з меншою енергією активації, при більш низькій температурі в даному випадку.

Важливо відзначити, що каталізатор не витрачається і змінює різниці вільних енергій початкового і кінцевого станів реакції, тобто не впливає на загальні термодинамічні характеристики реакції, зокрема не зміщує її рівновагу (змінюючи лише час виходу в рівноважний стан). Дія каталізатора полягає у зниженні енергії активації і означає, що велика частка зіштовхуються молекул буде володіти достатньою енергією для подолання бар'єру вільної енергії перехідного стану і протікання реакції.

За рахунок чого каталізатор може знижувати бар'єр вільної енергії (або вільну енергію перехідного стану)? Він може взаємодіяти з реагентами, даючи принципово інше перехідний стан або просто більш стабільне (і, отже, з більш низькою вільною енергією), ніж утворене в некаталітичного реакції.

Розглянемо деякі основні механізми каталізу. Всі вони можуть бути виявлені при вивченні дії ферментів як каталізаторів. Приклад - реакція гідролізу складного ефіру:

R'COOR "+ H O R'COOH + R "OH.

+ в результате оттягивания электронной плотности на кислородный атом), образование переходного состояния и далее продуктов реакции. Ця реакція включає нуклеофільних атаку вільної парою електронів кисню води з вуглецевого залишку карбонила (має частковий позитивний заряд d + в результаті відтягування електронної густини на кисневий атом), освіта перехідного стану і далі продуктів реакції.

У образующемся перехідному стані атакуюча молекула води набуває позитивний заряд, а кисень карбонільної групи - негативний. Таке перехідний стан вкрай невигідно, тобто його освіта вимагає високої енергії активації. Це, у свою чергу, означає, що швидкість реакції буде дуже мала.

Використання каталізатора в даному випадку може істотно допомогти процесу. Яким чином?

1. Кислотно-основний каталіз (під дією Н + або ОН-);

а) кислоти можуть тимчасово давати протон молекулі ефіру:

Протоновану форма ефіру (більше реакційноздатні) потім атакується молекулою води аналогічно схемі без каталізатора з тією лише різницею, що перехідний стан недвухзарядное (більш стабільний, ніж попереднє), отже, для такої реакції потрібна менша енергія активації.

б) підстави (ХВ-) можуть тимчасово акцептувати протон (Н +), допомагаючи стабілізувати двозарядні перехідний стан, наприклад таким чином:

2. Електростатичний каталіз. Перехідний стан можна стабілізувати електричним полем іона, наприклад позитивно заряджений карбоний-іон (перехідний стан у разі каталізу ферментом - лізоцимом) стабілізується електричним полем негативно зарядженої карбоксильної групи залишку аспарагінової кислоти. Звичайно, енергія електростатичної взаємодії двох точкових зарядів залежить від властивостей середовища (діелектричної постійної), в якій ця взаємодія відбувається. У водному середовищі це взаємодія слабке, проте в органічних розчинниках, а також в активних центрах ферментів воно може зробити суттєвий внесок.

3. Ковалентний каталіз (електрофільні або нуклеофільний). Роль іонів міді в попередньому прикладі, що допомагають відтягнути електрони з реакційного центру, можна обговорювати як форму електрофільного каталізу.

Каталізатор нуклеофільної природи, наприклад третинний амін, що має неподільну пару електронів на атомі азоту, здавалося б, нічим не відрізняється від вихідного реагенту некаталітичного реакції, в даному випадку молекули води.

Більш того, в цьому випадку ми бачимо і двозарядних перехідний стан. Проте реакція у присутності каталізатора йде, а за відсутності його практично немає. Причина в тому, що каталізатор має більш сильно виражений нуклеофільний характер, ніж атакуюча група (а отже, діє швидше), а проміжна сполука більш реакційно, ніж початкова. Ефект підвищення нуклеофільної здібності тих чи інших груп вельми яскраво проявляється у ферментативному каталізі. Більш того, фермент може одночасно використовувати кілька різних механізмів каталізу, підвищуючи ефективність хімічної реакції.

Дія ферментів, як і інших каталізаторів, як вже сказано вище, полягає в зниженні вільної енергії активації реакції. Проте картина перебігу реакції в присутності ферменту (профіль зміни вільної енергії) виглядає складніше, ніж для звичайних каталізаторів.

Величезну роль у каталізі ферментами відіграє те, що, власне, відбувається до початку хімічної реакції, а саме утворення так званого фермент-субстратного комплексу Чому? Справа в тому, що в цьому випадку реагують частинки виявляються зближеними і зорієнтованими до початку власне хімічної реакції. Високий бар'єр вільної енергії розбивається на кілька менших, перший з яких характеризує неминучі енергетичні втрати при зближенні та орієнтації молекул, пов'язані з загальмування їх поступального і обертального рухів. Тобто в ферментативному каталізі здійснюється переказ реакції під внутрішньомолекулярний режим. Що дає такий переклад, відображає наведений як приклад гідроліз аспірину.

4. Внутрішньомолекулярний каталіз. Гідроліз ефірного зв'язку в разі аспірину прискорюється за рахунок внутрішньомолекулярного общеосновного каталізу.

Виявляється, що простий переклад реакції гідролізу ефірного зв'язку під внутрішньомолекулярний режим приводить до збільшення її швидкості в 100 разів. Як і за рахунок чого здійснюється такий переклад у ферментах?

Ферменти, як і всі білки, будуються з амінокислот, в просторі вони організовані (згорнуті) особливим чином (третинна і четвертинна структури білка). Висока каталітична активність ферментів забезпечується функціонуванням спеціального ділянки - сложноорганізованного активного центру, до складу якого входять амінокислотні залишки, часто дуже віддалені один від одного в первинної поліпептидного послідовності.

Вище ми з'ясували, що для успішного нуклеофільного каталізу необхідно, щоб каталізатор був сильним нуклеофілом, принаймні більш сильним, ніж вихідний реагент. У той же час хімічні групи, що формують активний центр ферменту, самі по собі, як правило, є слабкими каталізаторами відповідних реакцій. І тим не менш ферментативний каталіз за своєю ефективністю перевершує всі відомі каталізатори. Таким чином, дія ферменту являє собою добре налагоджену в просторі та часі систему.

Як вже зазначалося, переклад реакції під внутрішньомолекулярний режим приводить до її прискорення.

Слід відзначити також, що фермент, і зокрема його активний центр, - це не якесь застигле освіту. У ході взаємодії з субстратом та хімічної реакції в молекулі ферменту можуть відбуватися структурні (конформаційні) зміни, які вдається в деяких випадках зафіксувати і які свідчать про певне "настроюванні" активного центру.

Таким чином, загальні принципи каталізу застосовні і до дії ферментів. Однак різні чинники, що сприяють протіканню реакції, в ферментативному каталізі діють узгоджено, а в багатьох випадках є сумарним результатом низки причин. Найважливіші з них: 1) багатоточкове взаємодію з субстратом, що приводить до зближення і правильної орієнтації реагуючих груп; 2) переказ реакції під внутрішньомолекулярний режим; 3) стабілізація перехідного стану реакції.

Використана література

1. Горєлов А.А. Концепції сучасного природознавства. М.: Центр, 2003.

2. Діксон М., Уебб Е. Ферменти. М.: Світ, 1982. Т. 1-3.

3. Лавриненко В.М. Концепції сучасного природознавства. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006.

4. Рузавін Г.І. Концепції сучасного природознавства. М.: ЮНИТИ, 2001.

5. Фершт Е. Структура і механізм дії ферментів. М.: Світ, 1980. 432 с.

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/Фундаментальные_взаимодействия

2. http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/280.html