Размещено на http://www.allbest.ru/

МОЛЕКУЛЯРНИЙ РІВЕНЬ ОРГАНІЗАЦІЇ ЖИТТЯ

А. Коні

Молекулярний рівень організації життя

Молекулярний рівень організації життя - це рівень організації, властивості якого визначаються хімічними елементами і молекулами та їхньою участю в процесах перетворення речовин, енергії та інформації. Застосування структурно-функціонального підходу до розуміння життя на цьому рівні організації дозволяє виділити основні структурні компоненти та процеси, які визначають структурну і функціональну упорядкованість рівня.

Структурна організація молекулярного рівня життя. Елементарними структурними складниками молекулярного рівня організації життя є хімічні елементи як окремі види атомів, не сполучених між собою та із своїми певними властивостями. Поширення хімічних елементів в біосистемах визначаються саме цими властивостями, що залежать, насамперед, від величини заряду ядра. Наука, яка займається вивченням поширення хімічних елементів та їх значення для біосистем називається біогеохімією. Засновником цієї науки став геніальний український вчений В. І. Вернадский, який відкрив та пояснив зв'язок живої природи з неживою через біогенний потік атомів і молекул під час реалізації своїх основних життєвих функцій.

Хімічні елементи, сполучаючись між собою, утворюють простіла складні неорганічні сполуки, які разом з органічними речовинами, є молекулярними складниками молекулярного рівня організації. Прості речовини (кисень, азот, метали та ін) утворені хімічно сполученими атомами одного й того самого елемента, а складні речовини (кислоти, солі та ін) складаються з атомів різних хімічних елементів.

З простих і складних неорганічних речовин у біологічних системах утворюються проміжні сполуки (наприклад, ацетат, кетокислоти), які й утворюють прості органічні речовини, або малі біомолекули. Це, перш за все, чотири класи молекул - жирні кислоти, моносахариди, амінокислоти та нуклеотиди. їх називають будівельними блоками, оскільки з них будується молекули наступного ієрархічного підрівня. Прості структурні біомолекули поєднуються одна з одною різноманітними ковалентними зв'язками, утворюючи макромолекули. Ними є такі важливі класи, як ліпіди, білки, оліго- та полісахариди і нуклеїнові кислоти.

В біосистемах макромолекули можуть об'єднуватися за допомогою нековалентних взаємодій у надмолекулярні комплекси. їх ще називають інтермолекулярними комплексами, або молекулярними ансамблями, або складними біополімерами (наприклад, складні ферменти, складні білки). На вищому, уже клітинному рівні організації, надмолекулярні комплекси поєднуються з утворенням клітинних органел.

Отже, для молекулярного рівня життя характерна певна структурна ієрархія молекулярної організації: хімічні елементи - прості та складні неорганічні сполуки - проміжні сполуки - малі органічні молекули - макромолекули - надмолекулярні комплекси.

Функціональна організація молекулярного рівня життя. Молекулярний рівень організації живої природи поєднує і величезну кількість різних хімічних реакцій, які визначають його впорядкованість в часі. Хімічні реакції - це явища, при яких одні речовини, що мають певний склад і властивості, перетворюються на інші речовини - з іншим складом й іншими властивостями. Реакції між елементами, неорганічними речовинами не є специфічними для живого, специфічним для життя є певний порядок цих реакцій, їх послідовність і поєднання в цілісну систему. Існують різні класифікації хімічних реакцій. За ознакою зміни кількості вихідних і кінцевих речовин виділяють 4 типи реакцій: сполучення, розкладання, обміну і заміщення. Залежно від використання енергії виділяють екзотермічні (енергія виділяється) і ендотермічні (енергія поглинається). Органічні сполуки також здатні до різноманітних хімічних перетворень, що можуть проходити як без змін карбонового скелета, так і зі змінами. Реакціями без зміни карбонового скелета є реакції заміщення, приєднання, елімінування, ізомеризації. До реакцій із зміною карбонового скелета належать такі реакції, як реакції подовження ланцюга, укорочування ланцюга, ізомеризації ланцюга, циклізації ланцюга, розкриття циклу, стиснення і розширення циклу. Переважна більшість реакцій в біосистемах є ферментативними і утворюють сукупність, яка називається метаболізмом. Основними типами ферментативних реакцій є окиснювально-відновні, трансферації, гідролізу, негідролітичного розпаду, ізомеризації та синтезу. В біологічних системах між органічними молекулами також можуть відбуватися реакції полімеризації, конденсації, матричного синтезу, гідролізу, біологічного каталізу та ін. Більшість реакцій між органічними сполуками є специфіними для живої природи і не можуть відбуватися в неживій.

Науки, які вивчають молекулярний рівень життя. Основними науками, які вивчають молекулярний рівень є біохімія та молекулярна біологія. Біохімія - наука про суть життєвих явищ та їх основу - обмін речовин, а увага молекулярної біології, на відміну від біохімії, зосереджена переважно на вивченні будови й функцій білків

Біохімія - наука, яка вивчає хімічний склад організмів, будову, властивості, значення виявлених у них хімічних сполук та їх перетворення в процесі обміну речовин. Термін "біохімія" був вперше запропонований в 1882 році, проте, вважається, широкого використання він набув після робіт німецького хіміка К. Нойберга в 1903 році. Біохімія як самостійна наука сформувалася в ІІ-й половині XIX ст. завдяки науковій діяльності таких відомих вчених-біохіміків, як О. М. Бутлеров, Ф. Велер, Ф. Мішер, О. Я. Данилевський, Ю. Лібіх, Л. Пастер, Е. Бухнер, К. А. Тімірязєв, М. І. Лунін та ін. Сучасна біохімія разом з молекулярною біологією, біоорганічною хімією, біофізикою, мікробіологією складають єдиний комплекс взаємопов'язаних наук - фізико-хімічну біологію, яка вивчає фізичні та хімічні основи живої матерії. Одним із найзагальніших завдань біохімії є з'ясування механізмів функціювання біосистем і регуляції життєдіяльності клітин, які забезпечують єдність обміну речовин та енергії в організмі.

Молекулярна біологія - наука, яка вивчає біологічні процеси на рівні нуклеїнових кислот і білків та їх надмолекулярних структур. Датою виникнення молекулярної біології як самостійної науки прийнято вважати 1953 рік, коли Ф. Крік та Дж. Уотсон на основі даних біохімії та рентгеноструктурного аналізу запропонували модель тривимірної структури ДНК, яка дістала назву подвійної спіралі. Найважливішими розділами цієї науки є молекулярна генетика, молекулярна вірусологія, ензимологія, біоенергетика, молекулярна імунологія, молекулярна біологія розвитку. Фундаментальними завданнями молекулярної біології є встановлення молекулярних механізмів основних біологічних процесів, зумовлених структурно-функціональними властивостями та взаємодією нуклеїнових кислот і білків, а також вивчення регуляторних механізмів цих процесів.

Методи вивчення життя на молекулярному рівні формувалися, переважно, у XX столітті. Найбільш поширеними з них є хроматографія, ультрацентрифугування, електрофорез, рентгеноструктурний аналіз, фотометрія, спектральний аналіз, метод мічених атомів та ін.

Класифікація хімічних елементів за їхнім вмістом в організмах

На сьогодні відомо понад 110 хімічних елементів: 89 з них знайдено в природі, інші здобуто штучним шляхом. Більшість з природних хімічних елементів входять до складу організмів. Проте лише близько ЗО елементів беруть участь в здійсненні життєвих функцій і мають певне значення для біологічних систем. Їх називають біоелементами.

Біоелементи - хімічні елементи, які входять до складу живих організмів і беруть участь у процесах життєдіяльності. Ці елементи перебувають в організмі: а) як складові біомолекул; б) у формі нерозчинних сполук; в) у формі йонів. Поширення та біологічне значення хімічних елементів у живій природі пов'язане з розташуванням елементів у періодичній системі.

Поширення біоелементів. На атомарному рівні відмінність у хімічному елементарному складі неорганічного і органічного світу відсутня, що свідчить про єдність походження всього живого з неживої природи. Співвідношення ж вмісту біоелементів у живій і неживій природі буде різним. У неживій природі переважають Оксиген (63%), Силіцій (21,2%), Алюміній (6,5%), Натрій (2,4%), Кальцій (1,9%), Ферум (1,9%), Магній (1,8%), Калій (1,4%). У живій природі переважають Гідроген (64%), Оксиген (25,6%), Карбон (7,5%), Нітроген (1,25%), Фосфор (0,24%), Сульфур (0,06%).

Біологічне значення біоелементів. Біоелементи за функціями, які вони виконують, умовно можна поділити на структурні, метаболічні та каталітичні. Структурна функція біоелементів полягає у тому, що вони беруть участь у побудові неорганічних та органічних сполук. Метаболічна функція біоелементів - вони регулюють осмотичні процеси, підтримують pH внутрішнього середовища, забезпечують процеси збудження та гальмування, здійснюють процеси активного транспорту через мембрани та є гуморальними чинниками діяльності тканин, органів. І каталітичну функцію біоелементів визначає те, що вони входять до складу ферментів та є агентами, які впливають на властивості ферментів. Основними групами біоелементів за їх вмістом в організмах є органогенні, макроелементи, мікроелементи та ультрамікроелементи.

БІОЛОГІЯ+ Біоелементна медицина - це науково-практичний напрямок, який вивчає склад, вміст, зв 'язки і взаємодію біоелементів в організмі людини в нормі і за патологічних станів. Завданням цього напрямку в медицині є розробка способів профілактики порушень біоелемснтного складу та його корекції при захвоюваннях (біоелементозах). Біоелементозом називають тимчасове або тривале поруиіення біое- лементного складу організму (надлишок, нестача, дисбаланс елементів), яке супроводжується певними клінічними проявами. Прикладом такого захворювання є флюороз (обумовлений надлишком Фтору), сатурнізм (обумовлений надлишком Свинцю) та ін. атом молекулярний життя неорганічний

Особливості та біологічне значення органогенів. Органогени - це хімічні елементи, на частку яких припадає від 2 до 98% від маси тіла. Хоча в складі живих організмів є майже всі хімічні елементи, основні властивості живого визначаються саме органогенами. Найбільший вміст у живій природі припадає на Карбон, Оксиген, Гідроген і Нітроген, які розташовуються у верхній частині таблиці і є типовими неметалами. Вони відрізняються від інших тим, що мають малі розміри, малу відносну атомну масу і є легкими елементами. Саме ці особливості й зумовлюють їхню структурну функцію. Біологічне значення органогенів спричинене їхніми унікальними, фундаментальними для життя, властивостями: 1) легко і в різному порядку поєднуються між собою, утворюючи один з одним міцні ковалентні зв'язки, що забезпечує стійку структуру біомолекул; 2) здатні утворювати слабші за ковалентний водневі зв'язки, які обумовлюють можливість зміни структури біомолекул та їх взаємодію між собою; 3) здатні утворювати порівняно невелике число типів зв'язку, що зменшує кількість необхідних для клітини каталітичних систем; 4) мають малі розміри, малу відносну атомну масу і є легкими елементами, що обумовлює можливість їх використання у великій кількості для побудови біомолекул; 5) у звичайних умовах проявляють неметалічні властивості, що лежить в основі їх структурної функції.

Яке ж значення для організму елементів-органогенів?

Гідроген (Н). Частка його в живій природі складає 64%. Входить до складу води і молекул органічних речовин, забезпечує реакції відновлення. Організми отримують його завдяки розщепленню води.

Оксиген (О). У живій природі складає 25,6%. Є в складі молекул води, усіх біомолекул, забезпечує реакції окиснення. Організми отримують і виділяють його завдяки процесам газообміну.

Карбон (С). У живій природі - 7,5%. Бере участь в утворенні молекул усіх органічних речовин, а також оксидів, гідридів, карбонатів, які утворюються в результаті життєдіяльності організмів.

Нітроген (N). У живій природі - близько 2%. Єдиний елемент, який входить до складу всіх молекул амінокислот, білків, нуклеїнових кислот, АТФ, ферментів, вітамінів. Лише цей елемент може поглинатися рослинами у вигляді аніонів і катіонів. Виводиться з організму у складі аміаку, сечовини, сечової кислоти

БІОЛОГІЯ+ Гідроген - це найпростіший і найпоширеніший елемент у Всесвіті, на долю якого припадає близько 90% атомів. Серед елементів Землі - він дев'ятий за поширенням і складає 0,76% маси планети. Зустрічається в складі води, вугілля, нафти, метану. Це єдиний елемент, який є горючим газам. Назва з грецької звучить як "той, іцо породжує воду". Оксиген - це найпоширеніший елемент на Землі. У атмосфері - 21% за об'ємом, у земній корі - 49% за масою, у гідросфері - 89% за масою. Це один з найактивніших елементів-неметалів. Назва з грецької означає "той, іцо породжує кислоти". В перекладі з грецької назва "азот" означає "безжиттєвий", хоча без нього життя не може існувати, а в перекладі з латини назва "нітроген" звучить як "той, що породжує селітру". Нітроген є основною складовою частиною атмосфери Землі (78% за об'ємом). За поширенням Карбон на Землі займає 16 місце серед елементів і складає близько 0,027% маси земної кори. В незв'язаному стані зустрічається у вигляді графіту і алмазів, а в зв'язаному - в складі горючих і осадових порід та атмосфери, в якій на його частку припадає 0,046% маси. Назва в перекладі з латини означає "вугілля".

Особливості та біологічне значення макроелементів. Макроелементи - це хімічні елементи, на частку яких припадає від 0,1 до 2% маси тіла. До макроелементів належать метали - Калій, Кальцій, Натрій, Магній, Ферум, і неметали - Фосфор, Хлор, Сульфур. їхня маса дещо більша, але їхній зовнішній електронний шар має або потребує для заповнення невелику кількість електронів. Ці особливості визначають їхню структурну та метаболічну функції. Основними особливостями макроелементів, які мають значення для живого, є такі: 1) мають високу здатність утворювати йони, що беруть участь в утворенні йонних зв'язків і обумовлюють існування йонних сполук, 2) деякі можуть мати змінну валентність, завдяки чому їхні йони використовуються в життєвих циклах для регульованої передачі електронів; 3) більшість є сильними відновниками або окисниками, тому у складі біосистем досить часто беруть участь в регуляції життєвих функцій; 4) у звичайних умовах проявляють металічні та неметалічні властивості.

Яке ж значення для організму макроелементів?

Натрій (Na). Міститься лише у вигляді йонів. Забезпечує транспорт речовин у клітину і з неї, регулюванні серцевої діяльності, здійсненні процесів подразливості організму тварин. У життєдіяльності більшості рослин істотного значення не має. Сприяє росту рослин-галофітів.

Калій (К). Міститься лише у вигляді йонів. Є осмотично активним елементом, забезпечує транспорт речовин у клітину і з неї, регулює роботу продихового апарату рослин, бере участь у процесах подразливості, регулює серцеву діяльність та водний обмін організму тварин та ін.

Кальцій (Са). У вигляді йонів бере участь у регуляції ритму серцевої діяльності, зсіданні крові, здійсненні м'язового скорочення, утворенні жовчі, забезпечує рух компонентів клітин і самих клітин. У вигляді солей входить до складу кісток і черепашок тварин, оболонок деяких водоростей, міжклітинної речовини та ін.

Магній (Mg). У вигляді йонів активує діяльність ферментів енергетичного обміну і синтезу ДНК, підтримує цілісність рибосом, зв'язуючи РНК і білок. У складі хлорофілу бере участь у фотосинтезі, а у вигляді солей входить до складу кісток, зубів.

Ферум (Fe). У складі гемоглобіну й міоглобіну здійснює транспорт газів, у складі ферментів (цитохромів, каталази, фередоксину) забезбечує перенесення електронів у процесах дихання й фотосинтезу. Є необхідним для утворення хлорофілів.

Фосфор (Р). У вигляді фосфатів міститься в кістковій тканині тварин й людини, входить до складу складних білків-фосфопротеїдів, нуклеїнових кислот, АТФ, фосфоліпідів, коферментів НАДФ тощо. У вигляді залишків ортофосфорної кислоти утворює макроергічні зв'язки. Для рослин є другим за важливістю (після Нітрогену) елементом мінерального живлення.

Хлор (Сl). У тварин входить до складу хлоридної кислоти шлункового соку, у вигляді йонів бере участь у регуляції осмотичного тиску плазми крові, стимулює процеси фотолізу води у рослин.

Сульфур (S). Бере участь у побудові сірковмісних амінокислот (метіоніну, цистеїну, цистину), вітамінів B1, Н і деяких ферментів. У складі вихідних сполук велике значення має для хемосинтезуючих і фотосинтезуючих бактерій. У живленні рослин займає третє місце після Нітрогену і Фосфору.

Особливості та біологічне значення мікроелементів. Мікроелементи - це хімічні елементи, на частку яких припадає від 0,000001 до 0,1% від маси тіла. Мікроелементами є Цинк, Йод, Купрум, Манган, Молібден, Кобальт та ін. Ці хімічні елементи розташовуються в нижніх періодах таблиці і є у переважній більшості металами з відносною атомною масою більше 50. Тому їх біологічна роль пов'язана з їх включенням до складу речовин (дихальних пігментів, вітамінів, гормонів, ферментів), що беруть участь у регуляції життєвих процесів. Мікроелементи називають у науці "каталізаторами каталізаторів".

Яке ж значення для організму основних мікроелементів?

Бор (В). У рослин впливає на ріст, процеси синтезу й перетворення вуглеводів. При нестачі відмирають провідні тканини, верхівкові бруньки, квіти і зав'язь.

Флуор. (F). У тварин входить до складу кісток і емалі зубів. Його нестача викликає карієс, а надлишок - плямисту емаль зубів. Є потужним інгібітором ферментів гліколізу.

Манган (Мn). Визначає активність ферментів-оксидаз, тому має велике значення для фотосинтезу, дихання, росту, азотного обміну.

Кобальт (Со). У тварин є складовою вітаміну В12 (ціанокобаламіну), який регулює кровотворення. У рослин бере активну участь у процесах азотфіксації, нуклеїнового обміну, запліднення.

Купрум (Сu). Бере участь у синтезі гемоглобіну, входить до складу гемоціаніну молюсків. У рослин є в складі ферментів дихання, фотосинтезу, фіксації азоту, підвищує стійкість до посухи.

Цинк (Жn). У тварин є чинником росту, входить до складу ферменту карбоангід- рази, який каталізує виділення СO2 із Н2СО3. У рослин відіграє важливу роль у синтезі фітогормонів, входить до складу деяких ферментів.

Бром (Вr). Має заспокійливу дію на організм людини і тварин, поглиблюючи гальмівні процеси у ЦНС.

Молібден (Мо). Впливає на діяльність продихів, ростових процесів, підвищує стійкість рослин до грибкових захворювань. Унікальною здатністю до його накопичення характеризуються бобові рослини.

Иод (І). У тварин входить до складу гормонів щитоподібної залози. Є потужним інгібітором ферментів гліколізу.

Ультрамікроелементи - це хімічні елементи, вміст яких у клітинах не перевищує 0,000001%. Це Плюмбум, Платина, Аргентум, Аурум та ін. Фізіологічна роль цих елементів у біосистемах ще недостатньо вивчена. Наприклад, відомо, що лікарі-гомеопати успішно використовують для профілактики атеросклерозу препарати золота (в дуже малих кількостях), хоча механізм їхньої дії абсолютно невідомий.

Размещено на Allbest.ru