О природе живого: механизмы и смысл - Ичас М.
ISBN 5-03-002805-6
Скачать (прямая ссылка):
Литература
Carr В. J., Rees М. J. The Antropic Principle and the Structure of the Physical World, Nature, 278, 605, 1979.
Davies P. C. W. The Accidental Universe, Cambridge Univ. Press, N. Y. 1982.
Глава 5
Химическая машина
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ. С точки зрения химии живая система находится в динамическом стационарном состоянии: в нее поступают и из нее выходят вещества, но система в целом сохраняется. Для поддержания такого состояния, которое, по существу, и есть жизнь, в системе все время происходит обмен веществ, т. е. синтез и распад соединений, что требует непрерывного притока энергии. Нужен также механизм контроля над тем, какие реакции будут протекать в системе.
Энергия — это способность производить работу. Существуют разные формы энергии, способные переходить друг в друга. Для биологии наиболее важна химическая форма энергии.
С представлением об энергии тесно связано понятие о равновесии. Это такое состояние системы, которое не меняется спонтанно во времени. Если смешать различные вещества, то они будут взаимодействовать, и в конце концов система придет в равновесие. При этом система окажется на самом низком энергетическом уровне; однако энергия, выделяемая при движении системы к равновесию, может использоваться для совершения работы, например для удаления каких-то других реакций от точки равновесия и образования при этом веществ с более высокой энергией.
Хотя химические системы сами по себе всегда движутся к равновесному состоянию, скорость этого движения может быть разной — от очень высокой до практически нулевой. Вещества, скорость превращения которых очень низка или равна нулю, находятся, как говорят, в метастабильном состоянии. Катализаторы могут повышать реакционную способность таких веществ и ускорять движение к равновесию. Биологические катализаторы называются ферментами. Каждый из них избирательно ускоряет строго определенные реакции, и от ферментов, таким образом, зависит, какие реакции будут идти с повышенной скоростью.
Все ферменты — белки. Белок представляет собой цепочку соединенных друг с другом аминокислот. Каждому белку присуща своя уникальная последовательность аминокислот, закодирован-
4—305
ная в генах, поэтому именно гены определяют, какие реакции в организме будут ускоряться биологическими катализаторами, «юооххюооооахюооооооаш^
Общие свойства химической машины
Проявления жизни многогранны, но живой организм всегда представляет собой систему химических соединений, находящуюся в динамическом стационарном состоянии, где одни вещества превращаются в другие. Совокупность всех этих превращений называют обменом веществ (метаболизмом). Определенные вещества поступают в систему извне, претерпевают в ней превращения и в конце концов ее покидают.
Для описания этих процессов важно понятие стационарного состояния. Суть его в том, что хотя вещества входят в систему и выходят их нее, в целом она не изменяется. Простейшая аналогия — это фонтан, в который поступает вода, а затем выливается, sHo уровень этой проточной воды остается неизменным. “Целью” системы является поддержание своего существования, т. е. сохранение стационарного состояния.
Образующие живую систему вещества способны вступать в разнообразные реакции, но для поддержания стационарного состояния нужно, чтобы в системе происходили лишь вполне определенные взаимодействия веществ. Как мы вскоре увидим, в организме есть хранилище информации, с помощью которой он определяет, какие из множества реакций должны происходить, а какие — нет. Как эта информация кодируется, как передается и как используется для поддержания стационарного состояния — все это составляет проблему жизни, если рассматривать ее с позиций химии.
Поскольку для синтеза многих химических компонентов организма требуется энергия, необходим ее приток извне. Поэтому управление химическими реакциями и их энергообеспечение тесно взаимосвязаны.
Энергия
Слово “энергия” происходит от греческого ergon — работа; можно сказать, что энергия — это способность производить работу. В механике работа равна силе, помноженной на расстояние, на которое перемещается точка ее приложения. В свою очередь сила — это способность придавать ускорение, т. е. менять скорость движения массы. В более широком плане все это детально рассматривается
Tzzzz/zm2
Н0 + N.
NH,
Рис. 5-1. Молекулы водорода и азота взаимодействуют с образованием аммиака: 31Ь + N2 = 2NH3. При повышении давления его образуется больше. Таким образом, увеличивая давление (производя работу), мы повышаем йыход аммиака. Это пример превращения механической энергии в химическую.
физикой, физической химией и термодинамикой. Здесь мы ограничимся лишь качественными аспектами.
Энергия, которой обладает тело, т. е. его способность совершать работу, может проявляться в разных формах. Из них наиболее известна механическая энергия. Движущееся тело обладает так называемой кинетической энергией (от греческого kinein — двигаться). Масса обладает также способностью производить работу благодаря своему положению в пространстве, даже если в данный момент она не движется. Например, камень или вода в резервуаре, если позволить им двигаться под действием силы тяжести, смогут производить работу. Эта “скрытая” способность совершать работу, определяемая положением тела, носит название потенциальной энергии.
