Биохимические процессы

Одно из основных обобщений современной биологии состоит в том, что все явления жизни подчиняются законам физики и химии и могут быть объяснены с помощью этих законов. Образующие живую систему вещества способны вступать в разнообразные химические реакции, которые называются биохимическими. В живой системе есть своеобразное хранилище информации, с помощью которой определяется, какая из множества возможных биохимических реакций должна происходить.

Для синтеза многих химических веществ необходима энергия, поэтому управление химическими процессами и их энергообеспечение тесно взаимосвязаны. Преодоление энергетического барьера при химической реакции возможно не только при повышении температуры, но и при действии катализаторов. В живых организмах катализаторами биохимических реакций являются ферменты. Ферменты обладают очень высокой селективностью: они способны ускорять одну или небольшое число реакций. Значение ферментов в биохимических процессах исключительно велико.

Биохимические процессы весьма разнообразны, их изучением занимается наука, возникшая на стыке химии и биологии – биохимия. Подробное изучение биохимических процессов не входит в нашу задачу, мы кратко рассмотрим лишь некоторые из них.

Примером биохимических процессов могут служить уже упоминавшиеся процессы обмена веществ. В энергетическом обмене клетки центральную роль играет аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). АТФ представляет собой разновидность нуклеотида. Под влиянием специальных ферментов она подвергается гидролизу, т.е. присоединяет молекулу воды и расщепляется c образованием аденозиндифосфорной кислоты (АДФ):

АТФ+Н₂0→АДФ+Н₃PO₄ (4.1.1)

Эта реакция сопровождается освобождением около 40 кДж/моль энергии.

Запас АТФ в клетке невелик, поэтому ее расход в клетке необходимо компенсировать. Синтез АТФ, происходящий в цитоплазме клетки, также представляют собой яркий пример биохимических процессов. Главным поставщиком энергии для синтеза АТФ является глюкоза. Расщепление глюкозы происходит в две стадии.

1 Гликолиз (бескислородное расщепление). Гликолиз представляет собой сложный многоступенчатый процесс, в результате которого из одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы АТФ. Каждую реакцию (ступень) гликолиза катализирует свой фермент. В результате гликолиза освобождается 200 кДж/моль энергии, 60% которой рассеивается в виде тепла, а 40% сберегается в форме АТФ.

2 Кислородное расщепление следует после завершения гликолиза. В этом процессе участвуют ферменты, вода, окислители, переносчики электронов и молекулярный кислород. Основное условие нормального кислородного процесса – неповрежденные мембраны митохондрий. В процессе кислородного расщепления возникает разность потенциалов по обеим сторонам мембраны. В некоторых участках мембраны в нее встроены молекулы фермента, синтезирующего АТФ, процесс синтеза происходит в том случае, если разность потенциалов достигает некоторого критического уровня (около 200 мВ). В процессе кислородного расщепления освобождается энергия, 45% которой рассеивается в виде тепла, а 55% преобразуется в энергию химических связей АТФ.

Расщепление в клетке 1 молекулы глюкозы до оксида углерода и воды обеспечивает синтез 38 молекул АТФ, 2 из которых образуются в результате гликолиза и 36 при бескислородном расщеплении.

Из реакций пластического обмена важнейшее значение имеет биосинтез белков. Основная роль в определении структуры синтезируемого белка принадлежит ДНК. Отдельные участки молекулы ДНК соответствуют определенным генам. Генетическая информация кодируется последовательностью нуклеотидов. Как уже упоминалось, три последовательных нуклеотида составляют единицу генетического кода – кодон. Каждый кодон определяет положение одной аминокислоты. Генетический код всего живого одинаков, что свидетельствует о биохимическом единстве жизни.

Биосинтез белка представляет собой цепь реакций: синтез информационной РНК, соединение аминокислот с транспортной РНК, «сборка» белка. Все реакции белкового синтеза катализируются специальными ферментами и требуют энергетических затрат. Энергия для синтеза белка освобождается при расщеплении АТФ.

Пластический и энергетический обмены в клетках растений и животных сходны. В клетках растений протекают те же этапы энергетического обмена – бескислородный и кислородный процессы. Однако в клетках растений, содержащих хлорофилл, кроме того, протекают специфические процессы, имеющие большое значение для живой природы. Растительные клетки способны синтезировать органические вещества из простых неорганических соединений, используя для этого энергию солнечного излучения. Синтез органических соединений, идущий за счет энергии солнечного излучения, называется фотосинтезом. Фотосинтез представляет собой многоступенчатый процесс, который выражается следующим суммарным уравнением:

6СO₂+6H₂O→C₆H₁₂O₆+6O₂ (4.1.2)

В ходе фотосинтеза из бедных энергией диоксида углерода и воды образуется углевод глюкоза – богатое энергией вещество. Громадное значение для живой природы имеет образование при фотосинтезе молекулярного кислорода.

Способность синтезировать органические вещества из неорганических свойственна также некоторым видам бактерий. Бактерии обладают специальным ферментным аппаратом, позволяющим им преобразовывать энергию химических реакций (в частности энергию реакций окисления неорганических соединений) в энергию синтезируемых органических соединений. Такой биохимический процесс называется хемосинтезом.

Контрольные вопросы

1 Как определить сущность живого?

2 Перечислите структурные уровни организации живой материи.

3 Перечислите химические элементы, важные для жизни. Чем объясняется исключительная роль углерода?

4 Каковы основные функции клеточных мембран, клеточного ядра и других компонентов клетки?

5 Охарактеризуйте структурные уровни организации белковой молекулы. Какими связями поддерживаются структуры белка?

6 Каковы функции белка в организме?

7 Охарактеризуйте биологическую роль углеводов и липидов.

8 Опишите строение нуклеиновых кислот. Чем различаются ДНК и РНК?

9 Что такое метаболизм? Каковы функции энергетического и пластического обменов?

10 Какой принцип лежит в основе любого типа гомеостаза?

11 Какова роль АТФ в организме? Опишите процессы, проходящие при синтезе АТФ.

12 Какой процесс называется фотосинтезом? Каково его значение для живой природы? Запишите суммарное уравнение, характеризующее этот процесс.

13 Какими свойствами обладает вода? Какова роль воды в живой материи?

Модуль 5Перспективные инновационные технологии и их запросы