Роль аминокислот в живом организме.

Аминокислотами называются карбоновые кислоты, в углеводород- ном радикале которых один или несколько атомов водорода замещены аминогруппами. Аминокислоты делятся на алифатические, ароматиче- ские и гетероциклические (см. Таблицу. «Aминокислоты, входящие в состав белков», стр.29).

В клетках и тканях встречаются свыше 170 аминокислот, но в со- став белков входят только 20 из них; из элементов - таких, как углерод, кислород, водород и азот. Аминокислоты играют в белках роль мономе- ров. У каждой аминокислоты есть карбоксильная группа (-СООН) и аминогруппа (-NH2), присоединенные к одному атому углерода. К од- ному же атому присоединена и одна из многих возможных белковых групп. Все 20 аминокислот и отличаются этими белковыми группами. В организме человека 12 аминокислот могут синтезироваться, а остав- шиеся 8 должны поступать с пищей. Разные белки образуются при со- единении аминокислот в разной последовательности.

Растения могут синтезировать все аминокислоты из более простых веществ, а животные - только часть из них. Оставшиеся аминокислоты, которые называют "незаменимыми", организм животного должен полу- чать с пищей. Обычно аминокислоты представляют из себя бесцветные кристаллические вещества, которые растворяются в воде, но нераство- римы в органических растворителях. В нейтральных водных растворах они ведут себя, как амфотерные соединения (проявляют свойства и ки- слот, и оснований), и существуют в виде биполярных ионов. Каждая аминокислота характеризуется своим значением рН, при которой амино- кислота электрически нейтральна (в электрическом поле не перемещает-

ся ни к аноду, ни к катоду), называемым изоэлектрической точкой ами-

нокислоты. Амфотерная природа аминокислот дает им способность пре- пятствовать в растворах изменению рН: при увеличении рН среды они выступают как доноры положительных ионов водорода, при понижении

- как их акцепторы.

Аминокислоты связаны пептидной связью, поэтому длинную цепь из аминокислот называют полипептидом. Они содержат от 100 до 300 аминокислот. Молекулы гемоглобина состоят из четырех полипептид- ных цепей, состоящих из 145 аминокислот каждая.

Для правильного функционирования такие цепи должны быть опре- деленным образом ориентированы в пространстве и поэтому они скру- чены и флуктуируют во времени: в них происходят повороты вокруг разных связей. Но эта внутренняя свобода является ограниченной, по- скольку структура белков строго упорядочена.

Между положительно и отрицательно заряженными боковыми группами аминокислот устанавливается ионная связь, между атомами, несущими частично положительные и частично отрицательные заряды, - водородная связь, между атомами серы и двумя молекулами аминокис- лоты цистеина - ковалентная связь.

Таблица. Aминокислоты, входящие в состав белков.

Группа аминокислот	Аминокислота	Сокращенное название аминокислотного остат- ка	Строение
Алифатические	Глицин	Gly	H-
Аланин	Ala	CH3-
Валин	Val	(CH3)2CH-
Лейцин	Leu	(CH3)2CH-CH2-
Изолейцин	I le	CH3-CH2-CH- I CH3
Содержащие (ОН- ) группу   Содержащие (СООН-) группу	Серин	Ser	HO-CH2-
Треонин	Thr	CH3-CH(OH)-
Аспарагиновая	Asp	НООС-CH2-
Глутаминовая	Glu	НООС-СН2-СН2-
Содержащие (NH2CO-) группу	Аспарагин	Asn	NH2CO-CH2-
Глутамин	Gin	NH2CO-CH2-CH2-
Содержащие (NH2-) группу	Лизин	Lys	NH2-(CH2)3-CH2-
Аргинин	Arg	NH2-C-NH-(CH2)2- CH2- II NH
Cодержащие S- группу	Цистеин	Cys	HS-CH2-

	Метионин	Met	CH3-S-CH2-CH2-
Ароматические	Фенилаланин	Phe	-C H 2-
	Тирозин	Tyr	OH СН2
Гетероцикличе- ские	Триптофан	Trp	-CH2-     N H
Гистидин	His	N -CH   N H
Иминокислота	Пролин	Pro	-COOH   N- H

Неполярные боковые цепи стремятся объединиться друг с другом и

- --

не раствориться в воде, образуя гидрофобное объединение. Таким образом,

при расправлении этой определенной цепи она вновь скрутится единствен- ным, присущим только ей образом. Если заменить хотя бы один атом или одну аминокислоту в полипептиде, получится молекула с другой структу- рой и другими свойствами.

Образование структуры означает уменьшение энтропии, тогда как вне белковой структуры энтропия должна скомпенсировать это локальное уменьшение и возрасти. При образовании водородной связи происходит вы- деление энергии в окружающую среду, и она рассеивается. Водородная связь возникает между пептидными связями цепи: -N-H...O-C, и она оп- ределяет вторичную структуру белка. Эта конфигурация кажется хаотич- ным нагромождением атомов, но точное повторение ее формы в миллиар- дах молекул указывает на наличие упорядоченности.

При выполнение определенных функций спираль изгибается, свора-

чивается о образует глобулу (третичную структуру). При этом основную роль играет кулоновское взаимодействие между электрическими зарядами частей цепи, а также установление водородной связи между пептидными группами разных частей спирали. Спираль изгибается, часть энергии вы- деляется в окружающее пространство, и маловероятно, чтобы энергия вновь вернулась. Пример тому - денатурация белка при варке яйца, когда разрушаются все возникшие структуры.

Важную роль играет гидрофобное взаимодействие частей цепей тре-

тичной структуры. Аминокислотные остатки содержат массивные угле-

водородные части, которые ведут себя подобно капелькам масла в воде.

Образуются окружающие молекулы "ловушки", создается структура, и

энтропия локально уменьшается. Естественное направление процессов оказывается таким, что маслоподобные части молекул оказываются скры- тыми от воды в глубинах структур белка, а водоподобные - обращаются к воде, растворителю.

Простейшая животная клетка содержит всего 5000 различных видов белков. Одни из них похожи на волокна и служат материалом для кле-

точных стенок, перегородок и мембран; другие - настолько гибки, что скручиваются в клубки, они очень активны и способны перемещаться, из них состоит почти все студнеобразное пространство клеток. Это актив-

ные глобулярные белки. Они могут участвовать в химических реакциях, обеспечивающих рост. Такое сложное строение белков позволяет им осуществлять многообразные операции.

Аминокислоты входят в состав и других макромолекул - нуклеино- вых кислот. Нуклеотиды, представляющие собой элементы нуклеиновых кислот, бывают четырех типов: цитонин, гуанин, тимин и аденин. На са- мом деле звеньями цепи являются пары Ц с Г и А с Т. Поэтому вместо цепи удобнее использовать образ лестницы, составленной из ступенек ЦТ, ГЦ, ТА и AT, которые следуют друг за другом в определенном по- рядке. Эта лестница еще и закручена в спираль, поэтому она, скорее, по- хожа на винтовую лестницу со ступеньками из пар нуклеотидов. В жи- вых клетках эти цепи очень длинные, содержат до ста миллионов пар в ряд. В клетке они свиты в плотный клубок. У человека длина такой вин- товой лестницы в размотанном состоянии достигает нескольких метров, и это только одна молекула. Отсюда можно понять огромность числа возмож- ных вариантов расположения молекул в ДНК. Только из четырех звеньев таких вариантов может быть до ста миллионов.

Каждый организм развивается из одной оплодотворенной яйцеклет-

ки, поэтому она должна содержать весь план построения организма. Многочисленные единицы, из которых слагается вся совокупность носи- телей генетической информации индивидуума, называют генами. Каждая

из этих единиц определяет отдельные признаки: цвет волос, глаза, группу крови, рост. У каждого из нас - неповторимая комбинация генов. Гены несут в себе информацию о том, какие белки и в каком отношении

должны вырабатывать клетки, как должна сказываться на их развитии ок-

ружающая среда.

Меллер в 1928 году показал, что гены воспроизводят себя и изме- няются (мутируют), а изменение внешних факторов меняют частоту мутаций. Наша генетическая информация поступает от родителей в равных частях. Еще в XIX веке биологи изучили процесс клеточного деления, которому предшествуют расхождение хромосом, благодаря чему

в каждый сперматозоид и в каждую яйцеклетку попадает половина хромосом из исходной клетки. Тогда уже было показано, что носителями

генетической информации являются хромосомы.

С точки зрения химиков хромосомы состоят из белка и дезоксири-

бонуклеиновой кислоты (ДНК). Белки- сложная группа веществ, со-

стоящая из 20 мономерных звеньев (аминокислот), которые соединены в самых разных комбинациях. В ДНК - всего четыре вида аминокислот. Именно ДНК, несмотря на простоту своей структуры, являются носите- лями информации и обеспечивают образование своих точных копий для передачи последующим поколениям.

ДНК оказалась двойной спиралью, связанной двумя "базовыми пара- ми": тимин-аденин и цитозин-гуанин. Число этих пар, например, у человека грандиозно.

Перед наукой открылась возможность не только изучать наследствен-

ный материал, но и влиять на саму наследственность: "оперировать" ДНК, сращивать участки генов далеких друг от друга животных или растений, иначе говоря, творить неизвестных природе химер.

Первым с помощью генной инженерии был получен инсулин, затем интерферон, потом гормон роста.

Вирус (или фаг) состоит из молекулы ДНК, заключенной в белко-

вую оболочку, которая действует подобно шприцу, впрыскивая свой ге- нетический материал в подходящую клетку. Для различения белка обо- лочки и ДНК у вирусов использовали радиоактивные изотопы серы и фосфора, т.к. белки содержат серу, но не содержат фосфора, а ДНК, на- оборот, содержат фосфор, но не содержат серу.

Гены - это участки молекулы ДНК, которая "размножается" путем комплементарного пристраивания друг к другу четырех "нуклеотидов"

(оснований), и при ошибках в этом процессе происходят мутации. Гены управляют синтезом белков, составляющих протоплазму, переключаясь время от времени с построения собственной копии (аутокатализ) на по-

строение иных молекул (гетерокатализ). Выявилось и отличие вирусов

от кристаллов: при впрыскивании вирусом своей ДНК с генами в живую клетку происходит не только самовоспроизведение, но гены вируса за-

ставляют клетку создавать новые, несвойственные ей белковые мо- лекулы, которые приспособлены для целенаправленного действия - за- ражения других клеток.

Белки - высокомолекулярные природные полимеры, построенные

из остатков аминокислот, соединенных амидной (пептидной) связью.

Белки являются главным, наиболее ценным и незаменимым компонен-

том питания. Это связано с той огромной ролью, которую они играют в процессах развития и жизни человека. Белки являются основой струк- турных элементов и тканей, поддерживают обмен веществ и энергии, участвуют в процессах роста и размножения, обеспечивают механизмы движений, развитие иммунных реакций, необходимы для функциониро- вания всех органов и систем организма. Примерно 20% веса тела со- ставляют белки. В течение 5 - 6 месяцев происходит полная замена соб- ственных белков тела человека. Резервы белков незначительны, и един- ственным источником их образования в организме являются аминокис- лоты белков пищи. Поэтому белки рассматриваются как совершенно не- заменимый компонент питания человека любого возраста. Уменьшение

суточной нормы потребления белков приводит к белковому голоданию

и быстрому расстройству здоровья. Симптомами белкового голодания являются вялость, похудение, отеки, дерматиты, анемия, снижение им-

мунитета, тяжелые нарушения функции печени и поджелудочной желе-

зы. Когда поступление белка в организм ниже, чем его выведение, раз-

вивается состояние отрицательного азотистого баланса. Длительное со- стояние отрицательного азотистого баланса характеризуется потерей мышечной массы, когда организм для поддержания жизни начинает ис- пользовать внутренние белковые резервы, что представляет непосредст- венную угрозу жизни и здоровью. Например, снижение мышечной мас-

сы сердца может вызвать тяжелые нарушения его функций. Для актив-

ных спортсменов или лиц, ведущих физически активный образ жизни,

потеря даже незначительного процента мышечной массы чревата мо-

ментальным снижением результативности. Поэтому общим требовани-

ем к безопасности ограниченных по калориям диет является отсутствие состояния отрицательного азотистого баланса и белкового дефицита.

Свойства живого вещества:

„ всюдность- способность быстро занимать все свободное пространст-

во;

„ активноcть- способность двигаться против действия внешних сил;

„ самодостаточность- устойчивое существование при жизни;

„ редуцентность- быстрое разложение после смерти;

„ адаптируемость-высокая степень адаптации к изменяющимся усло-

виям окружающей среды;

„ реактивность-высокая скорость протекания химических реакций;

„ обновляемость- высокая скорость обновления живого вещества.

Функции живого вещества:

„ энергетическая- энерговыделение и потребление

„ газовая- газовыделение и потребление

„ окислительно-восстановительная–окисление-восстановление ве-

ществ

„ концентрационная –концентрация веществ

„ деструктивная –разложение сложных веществ

„ транспортная –перенос веществ

„ средообразующая -образование веществ окружающей среды

„ рассеивающая –рассеивание веществ

„ информационная –прием, сохранение, переработка, передача информации

Гипотезы о происхождении жизни на Земле можно разделить на 2 группы: абиогенные и биогенные гипотезы. Сторонники абиогенных гипотез, например Аристотель, допускают возникновение живых орга- низмов из неорганического вещества. По мнению этих ученых для этого необходимы лишь особые условия при которых происходят качествен- ные преобразования неживой природы в живую. Также в пользу сторон- ников абиогенных гипотез свидетельствует то что по составу живое и неживое вещество состоит из одних и тех же химических элементов; кроме того в неживой природе известны случаи самоорганизации эле- ментов систем, также впечатляют успехи органической химии при ре- шении проблем синтеза полимеров. Однако экспериментальных доказа- тельств реальных условий возникновения живого вещества из неоргани- ческих веществ в настоящее время не существует.

Другая группа ученых, например Александр Иванович Опарин,

являясь сторонниками биогенных гипотез происхождения жизни на

Земле, полагают, что уже первичный «бульон», в котором зародилась жизнь, содержал органические соединения как питательную среду для дальнейшего развития. Сторонники биогенных гипотез исповедуют принцип флорентийского врача Ф.Реди, который был известен еще в ХУII веке и означает, что « все живое возникает из живого ».

Bладимир Иванович Вернадский перенес возникновение жизни за пределы Земли и допускал возможность ее появления в биосфере при

определенных условиях, заключая, что это не противоречит принципу Реди, который « ...не указывает на невозможность абиогенеза вне био- сферы ».

В.И.Вернадский считал также, что закономерным процессом эво- люции биосферы является возникновение сознания и, что, однажды воз- никнув, сознание начинает оказывать все возрастающее влияние на био-

сферу, благодаря трудовой деятельности человека. В связи с этим им было использовано понятие ноосферы. Термин «ноосфера» или сфера разума был введен в 1927 году французским математиком и философом

Эдуардом Леруа для характеристики современной геологической стадии развития биосферы.

Ноосфера- это новое геологическое явление на Земле, в которой

человек является геологической силой. Он может и должен перестраивать своим трудом и мыслью область своей жизни

Ключевые термины

Š Живые организмы Š Физические факторы окружающей среды

Š	Живое вещество	Š	Химические факторы окружающей среды
Š	Косное вещество	Š	Геологические факторы окружающей среды
Š	Фермент	Š	Коэффициент передачи системы
Š	Ноосфера	Š	Биогеохимические круговороты

Концепции экологии

Термин «экология» введен Э.Геккелем в 1866 году. Первоначально

он означал науку о домашнем быте живых организмов. Долгое время экология оставалась чисто биологической наукой. В настоящее время

экология является междисциплинарной наукой, изучающей проблемы взаимоотношений организмов с окружающей средой (природой), свя- зывающей физические, химические и биологические явления и, обра- зующей своеобразный мост между естественными и общественнымии

науками. Особое значение как наука экология приобрела в 70-е годы ХХ века, когда стало очевидным какую угрозу несет миру техногенная ци- вилизация. Загрязнения атмосферы, отравление рек и озер, кислотные

дожди, увеличивающиеся отходы производства, в особенности радиоак- тивные отходы, являются одними из наиболее существенных проблем , которыми занимается экология. Выделились в отдельные направления

социальная экология,историческая экология, медицинская экология, этическая экология. Создана программа всеобщего экологического обра- зования.

Уровни организации материи

Вселенная

супермакромир

( космос )

Галактики ?

Солнечная система

Планеты

Земля

Экосфера

область

Экосистемыэкологии

Сообществаобласть

Популяциираспространения

макромир

Организмыжизни

Системы органов

Органы Ткани Клетки

Протоплазмаграница жизни микромир Молекулы

Атомыотсутствие жизни

Элементарные частицы

Ключевым понятием экологии является понятие «экосистема». Экосистема представляет собой совокупность организмов, взаимодейст- вующих между собой и с окружающей средой.

В качесве совокупностей организмов выделяют вид, популяцию и сообщество. Вид- это совокупность особей, способных скрещиваться

между собой в естественных условиях. Популяция-группа организмов одного вида, проживающих на одной территории. Сообщество-сово- купность живых организмов различных видов, проживающих на одной территории. При рассмотрении экосистем применяют среднегрупповые

cтатистические характеристики, используя вероятностное оценивание.

Область экологии распространяется на живые организмы, пред-

ставленные в иерархической структуре организации материи, начиная с уровня отдельного организма ( нижний уровень ) и заканчивая экосфе-

рой ( верхний уровень ).

Различают следующие типы экосистем: наземные и водные экоси-

стемы, эстуарии и экотоны.

Типы экосистем

Наземные(биомы ) Водные

Пруд Рифы

Лесные Степные Пустынные Озеро Река Океан

Болото Устье реки Залив океана

Экотон представляет собой переходную область между двумя раз-

личными экосистемами, а эстуарии- область где морская вода встреча- ется с речной. Эти разновидности экосистем отличает большое разнооб- разие видов живых организмов.

Экосистемы имеют имеют в своем составе биотические ( живые организмы ) и абиотические ( факторы среды ) компоненты.

Компоненты экосистем

Биотические Абиотические

продуценты консументы редуценты физические химические

Взаимодействие компонентов экосистем осуществляется по двум циклам:

малому : продуценты деструкторы абиотические факторы

и большому : продуценты консументы деструкторы абиотические факторы

Любой этап взаимодействий сопровождается потреблением и пре-

образованием солнечной энергии и сопровождается выделением тепло-

вой энергии в окружающую среду.

При изучении структуры экосистем наибольшее внимание уделяет-

ся анализу трофических (пищевых ) связей между популяциями живых организмов. Различают два трофических уровня:

„ автотрофный ( верхний уровень ), характерный для растений, кото-

рые на основе фотосинтеза простые неорганические вещества преоб-

разуют в сложные органические соединения;

„ гетеротрофный ( нижний уровень ) характерный для животных,

которые преобразуют и разлагают сложные органические соединения

в простые.

В экосистемах происходит постоянное взаимодействие автотрофных и гетеротрофных подсистем, что приводит к круговороту веществ в при- роде.

Взаимодействие между частями и целым в экосистемах исследуется двумя путями:

„ изучение свойств отдельных частей и перенос их свойств на свойства

целого;

„ изучение системы в целом.

Первый путь оказывается эффективным в случае, если удается раз-

делить систему на отдельные независимые части. Исследование же свойств системы как целого необходимо уже потому, что эти свойства могут отсутствовать у частей системы ( в соответствии с принципом системной эмерджентности ) и в силу этого не могут быть определены.

Экосистема- открытая система, поэтому живые организмы и окружающая среда оказывают взаимное влияние друг на друга,

обмениваясь веществом, энергией, информацией. Существуют различные гипотезы о том,что образовалось раньше: атмосфера, обогащенная кислородом или живые организмы. Согласно гипотезе Геи,

живые организмы. Согласно гипотезе Геи, выдвинутой в 1970 году фи- зиком Джеймсом Лавлоком и микробиологом Линн Маргулис, образо- вание кислорода в атмосфере в целом явилось результатом жизнедея- тельности простейших живых организмов, которые в анаэробных ( бес- кислородных ) условиях стали выделять в окружающее пространство кислород. Эта гипотеза подтверждается многочисленными фактами из истории развития органического мира, хотя и противоречит традицион- ной гипотезе о том, что жизнь на Земле возникла лишь после того как сформировалась атмосфера с достаточным для существования живых организмов содержанием кислорода.

Обмен энергией и веществом между экосистемой и средой проявля-

ется в усвоении абиотических ( неорганических ) и биотических (орга-

нических ) факторов среды. Процессы обмена в целом носят устойчивый характер и соответствуют принципу гомеостаза, сформулированному американским физиологом Уолтером Кенноном, согласно которому все важнейшие параметры системы поддерживаются на постоянном уровне, благодаря наличию в системе обратных связей. Принцип гомеостаза, примененный к биосфере, означает, что природные системы способны поддерживать устойчивое динамическое равновесие, испытывая давле- ние со стороны живых организмов ( в частности антропогенное давле- ние).

При анализе устойчивости экосистем различают следующие виды

их устойчивости:

„ инертность ( выносливость живучесть ) экосистемы- способность живых систем сопротивляться различным нарушениям или изменени-

ям;

„ упругость экосистемы- способность живых систем самовосстанавли-

ваться после действия внешних нарушений ( при условии что они не были катастрофическими );

„ постоянство экосистемы- способность живых систем сохранять свои размеры.

В природных экосистемах выполняется принцип Ле Шателье: