Развитие представлений об эволюционой химии

Эволюционная химия зародилась в 1950 - 1960 гг. В основе эволюционной химии лежат процессы биокатализа, ферментологии; ориентирована она главным образом на исследование молекулярного уровня живого, что основой живого является биокатализ, т.е. присутствие различных природных веществ в химической реакции, способных управлять ею, замедляя или ускоряя ее протекание. Эти катализаторы в живых системах определены самой природой, что и служит идеалом для многих химиков.

Идея концептуального представления о ведущей роли ферментов, биорегуляторов в процессе жизнедеятельности, предложенная французским естествоиспытателем Луи Пастером в ХIX веке, остается основополагающей и сегодня. Чрезвычайно плодотворным с этой точки зрения является исследование ферментов и раскрытие тонких механизмов их действия.

Ферменты- это белковые молекулы, синтезируемые живыми клетками. В каждой клетке имеются сотни различных ферментов. С их помощью осуществляются многочисленные химические реакции, которые благодаря каталитическому действию ферментов могут идти с большой скоростью при температурах, подходящих для данного организма, т.е. в пределах примерно от 5 до 40 градусов. Можно сказать, что ферменты - это биологические катализаторы.

В основе эволюционной химии принцип использования таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т. е. к самоорганизации химических систем.

В эволюционной химии существенное место отводится проблеме «самоорганизации» систем. Теория самоорганизации «отражает законы такого существования динамических систем, которое сопровождается их восхождением на все более высокие уровни сложности в системной упорядоченности, или материальной организации». В сущности, речь идет об использовании химического опыта живой природы. Это своеобразная биологизация химии. Химический реактор предстает как некое подобие живой системы, для которой характерны саморазвитие и определенные черты поведения. Так появилась эволюционная химия как высший уровень развития химического знания.

Под эволюционными проблемами понимают проблемы самопроизвольного синтеза новых химических соединений (без участия человека). Эти соединения являются более сложными и более высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами. Поэтому эволюционную химию заслуженно считают предбиологией, наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем.

До последней трети XX в. об эволюционной химии ничего не было известно. В отличие от биологов, которые вынуждены были использовать эволюционную теорию Дарвина для объяснения происхождения многочисленных видов растений и животных, химики не интересовались вопросом происхождения вещества, потому что получение любого нового химического соединения всегда было делом рук и разума человека.

Постепенное развитие науки XIX в., приведшее к раскрытию структуры атома и детальному познанию строения и состава клетки, открыло перед химиками и биологами практические возможности совместной работы над химическими проблемами учения о клетке. Для освоения опыта живой природы и реализации полученных знания в промышленности химики наметили ряд перспективных путей.

Во-первых ведутся исследования в области металлокомплексного катализа, который обогащается приемами, используемыми живыми организмами в реакциях с участием ферментов (биокатализаторов).

Во-вторых, ученые пытаются моделировать биокатализаторы. Уже удалось создать модели многих ферментов, которые извлекаются из живой клетки и используются в химических реакциях. Но проблема осложняется тем, что ферменты, устойчивые внутри клетки, вне нее быстро разрушаются.

В-третьих, развивается химия иммобилизованных систем, благодаря которой биокатализаторы стали стабильными, устойчивыми в химических реакциях, появилась возможность их многократного использования.

В-четвертых, химики пытаются освоить и использовать весь опыт живой природы. Это позволит ученым создать полные аналоги живых систем, в которых будут синтезироваться самые разнообразные вещества. Таким образом, будут созданы принципиально новые химические технологии.

Изучение процессов самоорганизации в химии привело к формированию двух подходов к анализу предбиологических систем: субстратного и функционального.

Результатом субстратного подхода стала информация об отборе химических элементов и структур.

Химикам важно понять, каким образом из минимума химических элементов (основу жизнедеятельности живых организмов составляют 38 химических элементов) и химических соединений (большинство образовано на основе 6—18 элементов) образовались сложнейшие биосистемы.

Функциональный подход в эволюционной химии. В рамках этого подхода также изучается роль катализа и выявляются законы, которым подчиняются процессы самоорганизации химических систем.

Роль каталитических процессов усиливалась по мере усложнения состава и структуры химических систем. Именно на этом основании некоторые ученые стали связывать химическую эволюцию с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем.

На основе этих наблюдений профессор МГУ А.П. Руденко выдвинул теорию саморазвития открытых каталитических систем. Очень скоро она была преобразована в общую теорию химической эволюции и биогенеза. В ней решены вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, т. е. о законах химической эволюции, об отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, о высоте химической организации и иерархии химических систем как следствии эволюции.

Сущность этой теории состоит в том, что эволюционирующим веществом являются катализаторы, а не молекулы. При катализе идет реакция химического взаимодействия катализатора с реагентами с образованием при этом промежуточных комплексов со свойствами переходного состояния. Именно такой комплекс Руденко назвал элементарной каталитической системой. Если в ходе реакции идет постоянный приток извне новых реактивов, отвод готовой продукции, а также выполняются некоторые дополнительные условия, реакция может идти неограниченно долго, находясь на одном и том же стационарном уровне. Такие многократно возобновляемые комплексы являются элементарными открытыми каталитическими системами.

Саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение каталитических систем происходят за счет постоянного притока трансформируемой энергии. А так как основным источником энергии является базисная реакция, то максимальное эволюционное преимущество получают каталитические системы, развивающиеся на базе экзотермических реакций. Таким образом, реакция является не только источником энергии, но и орудием отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений катализаторов.

Тем самым Руденко сформулировал основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и вероятностью реализуются те пути эволюционных изменений катализаторов, которые связаны с ростом их абсолютной каталитической активности. При этом по параметру абсолютной каталитической активности складываются механизмы конкуренции и естественного отбора.

Теория саморазвития каталитических систем дает следующие возможности: выявлять этапы химической эволюции и на этой основе классифицировать катализаторы по уровню их организации; использовать принципиально новый метод изучения катализа; дать конкретную характеристику пределов в химической эволюции и перехода от химогенеза (химического становления) к биогенезу, связанного с преодолением второго кинетического предела саморазвития каталитических систем.

Набирает теоретический и практический потенциал новейшее направление, расширяющее представление об эволюции химических систем, - нестационарная кинетика.

Развитие химических знаний позволяет надеяться на разрешение многих проблем, которые встали перед человечеством в результате его наукоемкой и энергоемкой практической деятельности.

Химическая наука на ее высшем эволюционном уровне углубляет представления о мире. Концепции эволюционной химии, в том числе о химической эволюции на Земле, о самоорганизации и самосовершенствовании химических процессов, о переходе от химической эволюции к биогенезу, являются убедительным аргументом, подтверждающим научное понимание происхождения жизни во Вселенной.

Химическая эволюция на Земле создала все предпосылки для появления живого из неживой природы.

Жизнь во всем ее многообразии возникла на Земле самопроизвольно из неживой материи, она сохранилась и функционирует уже миллиарды лет.

Жизнь полностью зависит от сохранения соответствующих условий ее функционирования. А это во многом зависит от самого человека.

 

Ферментативный катализ

ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ КАТАЛИЗ (биокатализ), ускорение биохим. р-ций при участии белковых макромолекул, называемых ферментами (энзимами). Ф.к.- разновидность катализа, хотя термин "ферментация" (брожение)известен с давних времен, когда еще не было понятия хим. катализа.

 

Первое исследование Ф. к. как хим. процесса было выполнено К. Кирхгофом, к-рый в 1814 продемонстрировал фер-ментативную конверсию крахмала в растворимые углеводы.

 

Заметный вклад в представление о природе Ф. к. внесли работы И. Берцелиуса и Э. Мичерлиха, к-рые включили ферментативные р-ции в категорию хим. каталитич. процессов. В кон. 19 в. Э. Фишер высказал гипотезу о специфичности ферментативных р-ций и тесном стерич. соответствии между субстратом и активным центром фермента. Основы кинетики ферментативных р-ций были заложены в работах Л. Михаэ-лиса (1913).

 

В 20 в. происходит интенсивное изучение хим. основ Ф. к., получение ферментов в кристаллич. состоянии, изучение структуры белковых молекул и их активных центров, исследование большого числа конкретных ферментативных р-ций и ферментов.

 

В простейшем случае ур-ние р-ции с участием фермента имеет вид:

 

где E - фермент, S - субстрат, ES - фермент-субстратный комплекс (т. наз. комплекс Михаэлиса), P- продукт р-ции.

 

Превращение субстрата в продукт происходит в комплексе Михаэлиса. Часто субстрат образует ковалентные связи с функц. группами активного центра, в т. ч. и с группами кофермента (см. Коферменты). Большое значение в механизмах ферментативных р-ций имеет основной и кислотный катализ, реализуемый благодаря наличию имидазольных групп остатков гистидина и карбоксильных групп дикарбоно-вых аминокислот.

 

Важнейшие особенности Ф. к.- эффективность, специфичность и чувствительность к регуляторным воздействиям. Ферменты увеличивают скорость хим. превращения субстрата по сравнению с неферментативной р-цией в 109-1012 раз. Столь высокая эффективность обусловлена особенностями строения активного центра. Принято считать, что активный центр комплементарен (см. Комплементарность)переходному состоянию субстрата при превращении его в продукт. Благодаря этому стабилизируется переходное состояние и понижается активац. барьер р-ции.

 

Большинство ферментов обладает высокой субстратной специфичностью, т. е. способностью катализировать превращение только одного или неск. близких по структуре в-в. Специфичность определяется топографией связывающего субстрат участка активного центра.

 

Активность ферментов регулируется в процессе их биосинтеза (в т.ч. благодаря образованию изоферментов, к-рые катализируют идентичные р-ции, но отличаются строением и каталитич. св-вами), а также условиями среды (рН, т-ра, ионная сила р-ра) и многочисленными ингибиторами и активаторами, присутствующими в организме. Ингибиторами и активаторами могут служить сами субстраты (в определенных концентрациях), продукты р-ции, а также конечные продукты в цепи последоват. превращений в-ва (см. Регуляторы ферментов).

 

Ферментативные р-ции чувствительны к внеш. условиям, в частности к ионной силе р-ра и рН среды. Влияние т-ры на скорость ферментативной р-ции описывается кривой с максимумом, восходящая ветвь к-рой отражает обычную для хим. р-ций зависимость, выраженную ур-нием Аррениуса. Нисходящая ветвь связана с тепловой денатурацией фермента. Максимум кривой соответствует оптимальной т-ре Tопт, значение к-рой для большинства ферментов лежит в пределах 40-50 0C. Для нек-рых ферментов, особенно ферментов термофильных микроорганизмов, Tопт 80-90 0C. Подробнее о кинетике ферментативных р-ций см. Ферментативных реакций кинетика.

 

Осн. направления совр. исследований Ф.к.- выяснение механизма, обусловливающего высокие скорости процессов, высокую селективность (специфичность действия ферментов), изучение механизмов контроля и регуляции активности ферментов. Оказалось, в частности, что р-ции Ф. к. включают большое число стадий с участием лабильных промежут. соед., времена жизни к-рых изменяются в нано- и миллисекундном диапазонах. На активных центрах ферментов протекают быстрые (нелимитирующие) стадии, в результате чего понижается энергетич. барьер для наиб. трудной, лимитирующей стадии.

 

Установлен механизм регулирования ферментативной активности путем действия ингибитора (или активатора) на специфичный центр белковой молекулы с опосредованной передачей воздействия на активный центр фермента через белок. Обнаружены эффекты кооперативного взаимод. неск. молекул субстрата на белковой матрице. Найден способ "жесткого" выведения фермента из процесса посредством индуцированной субстратом необратимой инактивации.

 

Ф. к.- основа мн. современных хим. технологий, в частности крупномасштабных процессов получения глюкозы и фруктозы, антибиотиков, аминокислот, витаминов и регуляторов, а также тонкого орг. синтеза. Разработаны методы, позволяющие проводить ферментативные р-ции в орг. р-ри-телях, обращенных мицеллах (см. Мицеллообразование). С Ф.к. связаны перспективы развития иммуноферментного и биолюминесцентного анализа, применения биосенсоров. Созданы методы, позволившие придать каталитич. активность антителам, обнаружена каталитич. активность у рибонуклеи-новой к-ты (абзимы, рибозимы соотв.).

 

Лит.: Б е r е з и н И. В., Исследования в области ферментативного катализа и инженерной этимологии, M., 1990. См. также лит. к ст. Биотехнология^ Генетическая инженерия, Ферментативных реакций кинетика, Ферменты.

 

Эволюционный катализ

Основы эволюционного катализа. Модели элементарных каталитических систем (КС). Базисная реакция, кинетические и энергетические параметры КС. Теория самоорганизации, существования, устойчивости и саморазвития элементарных открытых КС (ЭОКС). Эволюционные законы химии. Связь эволюционного катализа с классической химией и теоретической биологией и вклад его в научную синергетику.Специфические свойства ЭОКС: неравновесность, целостность, системность и динамизм. Энергетическое сопряжение и синхронизация процессов в ЭОКС, образование электроно-транспортных цепей и цепей перераспределения связей. Нелинейность и эффекты синергизма в катализе. Использование специфических свойств ЭОКС для осуществления кинетически затрудненных и эндергонических процессов, для интенсификации и новых приемов управления процессами.Самоорганизация компонентов системы как необходимое условие осуществления каталитического акта. Саморазвитие самоорганизации ЭОКС как сущность прогрессивной химической эволюции. Механизм естественного отбора по функциональным параметрам. Типы самоорганизации микроскопических и макроскопических систем.Связь эффектов разработки катализаторов с явлением саморазвития ЭОКС. Возможности выявления индивидуальных свойств ЭОКС на основе кинетических данных. Периодические процессы в макросистемах.Поликонденсационные процессы и углеродные продукты уплотнения в органическом катализе, химии полиуглеродов и круговороте углерода в природе. Механизмы катализа с промежуточным образованием полимеркатализаторных комплексов. Нестационарные полимолекулярные процессы в разработке катализаторов, в образовании алмаза, графита, карбина и других полиуглеродов и в абиогенном синтезе углеводородов нефти и газа в открытых каталитических системах.

8 Отличие живого от неживого

Существует несколько подходов к определению живого вещества:

 

1. выделение основных свойств, отличающих живое от неживого - питание, дыхание, самовоспроизводство, а также различные оптические свойства живого и неживого: живое всегда оптически активно, т.е. молекулы обладают общей асимметрией и поляризуют свет, косное же вещество - минералы - имеют разные виды симметрии;

 

2. витализм (греч. vita - жизнь, vitalis - жизненный) - всё живое обладает душой (некоторые религии, впрочем, лишь человека наделяют душой); сущность и явления жизни объясняются наличием в организмах некоего нематериального начала - жизненной силы, души, энтелехии (греч. entelecheia) - последний термин имеется в философии Аристотеля и означает достижение цели, осуществляемое нематериальным деятельным началом, движителем материи;

 

3. редукционный подход - основан на клеточном строении организмов, клетка - это основа единства живых организмов.

 

Разумеется, этими тремя путями не исчерпываются все мнения, в качестве альтернативного подхода можно процитировать В.Солдатова (статья «Вопросы вечные (опыты православной философии)», журнал «Свет - Природа и Человек», №5, 2001г.):

 

«для живой материи характерно различение добра и зла, в то время как материя мёртвая в этом плане совершенно индифферентна. Конечно, на это можно возразить, что какие-либо примитивные формы вроде бактерий едва ли способны осознать различие между добром и злом... но... для тех же бактерий зло проявляет себя прежде всего как смерть, которой они активно сопротивляются. Поэтому и они вполне способны отличить добро от зла...

Добро и зло нематериальны, т.к. согласно ленинскому определению материи, не даны нам в ощущении. И различать нематериальные сущности способна лишь нематериальная субстанция. Поэтому природа жизни также нематериальна...»

Свойства живых систем

 

Составные части организма - клетки, ткани, органы - в сумме ещё не представляют собой организм. Лишь их соединение в порядке, исторически сложившемся в процессе эволюции, и их взаимодействие образуют целостную систему - организм, которому присущи определённые свойства:

единство химического состава - в состав живых организмов входят те же элементы, что и в объекты неживой природы, но в ином соотношении: в живых организмах 98% химического состава приходится на 4 элемента - С-углерод, O-кислород, N-азот, H-водород; живые организмы построены в основном из 4 крупных групп сложных органических молекул - нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов и жиров;

обмен веществ: все живые организмы поглощают из окружающей среды необходимые для жизни вещества и выделяют продукты жизнедеятельности, при этом происходят химические превращения веществ (в отличие от неживой природы, где обмен веществами представляет собой их простой перенос с одного места на другое или изменение агрегатного состояния); обмен веществ обеспечивает гомеостаз - постоянство химического состава и строения частей организма и, соответственно, постоянство их функционирования;

самовоспроизведение*, или репродукция - образование новых структур на основе информации, заложенной в ДНК; это одно из основных свойств живого, тесно связанное с явлением наследственности;

наследственность - способность организма обеспечивать передачу своих признаков из поколения в поколение;

5. изменчивость - способность организмов приобретать новые свойства и признаки; эта способность лежит в основе естественного отбора;

рост и развитие; способность к развитию - всеобщее свойство материи, в результате развития возникает новое качественное состояние системы; развитие живых форм представлено онтогенезом - индивидуальным развитием, и филогенезом - историческим развитием видов;

раздражимость - свойство живых организмов избирательно реагировать на внешние воздействия;

дискретность (от лат. discretus = прерывистый, разделённый) - всеобщее свойство материи: атом состоит из элементарных частиц, молекулы - из атомов, простые молекулы входят в состав сложных соединений и т.д.; жизнь на Земле также проявляется в виде дискретных форм: любой вид организмов состоит из отдельных особей, тело каждой высокоорганизованной особи - из обособленных и ограниченных в пространстве, но тем не менее тесно взаимодействующих между собой частей, органы состоят из отдельных тканей и клеток и т.д.; дискретность строения организма - основа его структурной упорядоченности, она создаёт возможность постоянного самообновления организма путём замены «износившихся» элементов (ферментов, молекул, целых клеток) без прекращения выполняемой функции;

саморегуляция (авторегуляция) - способность организмов обеспечивать постоянство своего химического состава и физиологических процессов в постоянно меняющихся условиях среды;

ритмичность - периодические изменения интенсивности физиологических функций с различными периодами колебаний (напр., суточные ритмы сна и бодрствования, сезонные колебания активности и спячки у некоторых животных и др.); ритмичность обеспечивает согласование функций организма с окружающей средой;

энергозависимость - живые организмы существуют до тех пор, пока в них поступает энергия и материя из окружающей среды, т.е. являются открытыми системами