 |
Основные особенности метаболических процессов
|
|
|
|
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования «Санкт-Петербургский
государственный университет сервиса и экономики»
Кафедра «Товароведение и экспертиза потребительских товаров»
А.М. МИРЗОЕВ, А.К. АЛИЕВА
БИОХИМИЯ
Учебное пособие
Для студентов направления 100800.62 «Товароведение»
Санкт-Петербург
Одобрено на заседании кафедры «Товароведение и экспертиза потребтельских товаров», протокол № от 2013г.
Одобрено и рекомендовано к изданию Учебно-методическим Советом СПбГУСЭ, протокол № от 2013г.
Мирзоев А.М. Биохимия. Учебное пособие для студентов направления 100800.62 «Товароведение» / А.М. Мирзоев, А.К. Алиева. – Спб.: Изд-во СПбГУСЭ, 2013.- 166 с.
Учебное пособие предназначено для студентов направления подготовки 100800.62 «Товароведение», изучающих биохимию. Может использоваться также студентами направления 260800.62 «Технология продукции и организация общественного питания».
В учебном пособии рассматриваются вопросы обмена основных пищевых веществ в организме человека, биохимические процессы при хранении и переработке пищевых продуктов растительного и животного происхождения.
Рецензенты: профессор ФГБОУ ВПО «СПбГАВМ», д-р биол. наук Л.М. Белова
Профессор ФГБОУ ВПО «СПбГУСЭ», д-р биол. наук А.В. Зачиняева
Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики
ВВЕДЕНИЕ
Биохимия - это наука о веществах, из которых построены живые организмы, и о химических процессах, протекающих в живых организмах. Она является базой для основательного понимания всего, что происходит на более высоких уровнях организации живой материи и в первую очередь в клетках и живых организмах.
|
|
|
Биологическая химия изучает состав разнообразных живых систем и изменения этих веществ в процессе их жизнедеятельности. Выявление функционального значения веществ, составляющих живой организм – одна из центральных задач современной биохимии.
Значение биохимии как науки для человеческого общества определяется тем, что она является одной из теоретических основ медицины, сельского хозяйства, биотехнологии, генетической инженерии и ряда отраслей промышленности. В основе многих патологических состояний человека лежат нарушения отдельных биохимических процессов. Известно более ста заболеваний, обусловленных нарушением деятельности ферментативных систем, отсутствием отдельных ферментов вследствие наследственных дефектов. Для некоторых заболеваний характерны изменения в химической структуре ряда высокомолекулярных соединений. Успехи биохимии определяют и стратегию создания новых лекарственных препаратов. Большой интерес в этом отношении представляет широкое использование ферментов при лечении некоторых заболеваний.
Биохимические процессы лежат в основе технологий пищевой промышленности: сыроварения, виноделия, хлебопечения, пивоварения, производства чая, жиров и масел, переработки молока, мяса и рыбы, плодов и овощей, производства крахмала и патоки. Биохимические знания необходимы при организации кожевенного производства, при изготовлении меховых изделий, обработке натурального шелка, хлопчатобумажных тканей. Широкое распространение получили такие биохимические производства, как изготовление антибиотиков, витаминов, органических кислот, кормового белка. Знания, полученные в изучении обмена веществ растений и животных, дали возможность получения больших урожаев с высоким качеством. Эффективно в этом отношении применение в сельском хозяйстве разнообразных химических препаратов: гербицидов, фунгицидов, кормовых витаминов, белков и антибиотиков, дефолиантов и дессикантов, инсектицидов, репеллентов и т.д.
|
|
|
В зависимости от объектов исследования различают биохимию человека и животных, биохимию растений, биохимию микроорганизмов. Биохимию делят на статическую биохимию, которая изучает химический состав и свойства веществ живых организмов, и динамическую биохимию, которая изучает превращения веществ в процессе жизнедеятельности. Выделяют разделы биохимии по направленности исследований.
Техническая биохимия разрабатывает биохимические основы тех отраслей промышленности, где перерабатываются сырье и материалы биологического происхождения (хлебопечение, сыроварение, виноделие и т.д.).
Медицинская биохимия изучает биохимические процессы в организме человека в норме и при патологии.
Эволюционная биохимия сопоставляет состав и пути превращения веществ и энергии различных систематических групп живых организмов в эволюционном плане.
Квантовая биохимия исследует свойства, функции и пути превращения различных веществ живых организмов в связи с электронными характеристиками этих веществ, полученными с помощью квантово-механических расчетов.
Энзимология изучает структуру, свойства и механизм действия энзимов (ферментов) – биологических катализаторов.
Биохимия – основа науки о питании. Использование биохимических знаний приводит к развитию новой культуры питания. Теория «сбалансированного» пищевого рациона исходит из представлений о рекомендуемых дозах основных пищевых веществ, витаминов и микроэлементов на основе современных знаний о роли отдельных веществ в обмене и потребности в них у здорового человека в различных условиях труда и быта.
В зависимости от уровня цивилизации эти требования до некоторой степени меняются; снижается потребление продуктов, создающих калорийность насыщенного организма, при этом иногда потребление биологически активных веществ уменьшается. Теория «сбалансированного» питания исходит из необходимого количества биологически активных веществ, покрывающих затраты организма на различные физиологические процессы и другие проявления жизнедеятельности при сохранении определенного веса и достаточно высокого уровня обмена веществ. Применение рассматриваемого принципа означает изменение структуры производства пищи, что при современном укладе жизни осуществляет предприятия общественного питания.
|
|
|
Из истории развития биохимии. Ещё в древности при изготовлении различных пищевых продуктов (молочнокислых, хлебобулочных), дублении кожи, пивоварении, виноделии и других использовались биохимические процессы. В средние века биохимические знания изучались в таких науках, как химия и физиология. Предпосылкой к выделению биохимии как самостоятельной дисциплины были исследования Либиха и его школы, уделявшего большое значение многим вопросам биохимии в особенности питания растений. Также интересны исследования русского ученого Кирхгофа (1764-1833), установившего ферментативный характер распада и синтеза крахмала в растениях, и Велера (1800-1882), который сумел искусственно получить мочевину из неорганического вещества как органическое соединение, образующееся в процессе жизнедеятельности животных организмов. Единство органической и неорганической материи было окончательно подтверждено исследованиями А.М. Бутлерова (1828-1886), осуществившего синтез углеводов, Бертло (1827-1907), открывшего синтез жиров, А.Я. Данилевского (1839-1923), синтезировавшего вне организма с помощью ферментов белковоподобные вещества из продуктов их расщепления.
Биологическая химия отделилась от органической химии после того, как был издан первый учебник физиологической химии А.И. Ходневым (1847), а в 1862 г. в России, в Казанском университете, А.Я. Данилевским была организована первая кафедра медицинской химии. Учение Пастера процессов брожения, их отношения к дыханию помогли выявить особую роль ферментов в жизнедеятельности организмов.
Однако наибольший расцвет биохимии связан с исследованиями, проводившимися в начале ХХ столетия. К этому периоду относятся работы Э. Фишера по аминокислотам и углеводам, И.П. Павлова – по ферментативным и гормональным механизмам пищеварения, Мишера по нуклеиновым кислотам. В это же время были открыты витамины. Наиболее выдающимися следует считать работы О. Варбурга, А. Сент-Дьерьи, В.И. Палладина, А.Н. Баха, В.А. Энгельгардта, обосновавших современную теорию биологического окисления и энергетику этого процесса, исследования Хефиши и Шонхеймера по применению радиоактивных изотопов в изучении обмена веществ. Исследования по структуре белка связаны с именами Санджера, Кендрью, Перутца, а расшифровка нуклеиновых кислот - Чартгафа, Уотсона, Крика, Белозерского и др. Эти исследования положили начало новому направлению в биохимии, получившему название молекулярной биологии.
|
|
|
В нашей стране продолжают активно развиваться различные направления биохимических исследований. В МГУ многие годы под руководством академика С. Е. Северина плодотворно проводились работы по биохимии дыхания. Крупные работы приоритетного характера по биоэнергетике выполняются в МГУ В. П. Скулачевым. Большие успехи достигнуты коллективом Института биохимии, особенно в области энзимологии (И. В. Березин), биологической фиксации азота воздуха и азотного обмена растений, технической биохимии (В. Л. Кретович), биохимии и биофизики фотосинтеза (А. А. Красновский). Ряд интереснейших открытий в области биосинтеза белков и их структуры сделаны в Институте белка (А. С. Спирин), по исследованию структуры и функций нуклеиновых кислот, некоторым энзимологическим проблемам — в Институте молекулярной биологии (В. А. Энгельгардт, А. Е. Браунштейн, А. А. Баев, Г. П. Георгиев). Широкое признание в нашей стране и за рубежом получили исследования структуры и свойств мембран Ю. А. Овчинниковым (Институт биоорганической химии). Кроме перечисленных институтов, интенсивные и успешные работы в области биохимии проводятся в Институте медицинской и биологической химии, Институте биохимии и физиологии микроорганизмов, Институте фотосинтеза, Институте биофизики, а также в ряде институтов ВАСХНИЛ (ныне РАСХН).
Роль биохимии в подготовке специалистов торговли и общественного питания. Биохимия глубоко проникла в процессы, происходящие в растениях, организме человека и животных, микроорганизмах. Соответственно возникли и различные отрасли биохимии: биохимия животных, биохимия растений, биохимия микроорганизмов, а также техническая биохимия, целью которой является изучение биохимических процессов, возникающих в сырье при его хранении и переработке.
|
|
|
Программа курса биохимии для товароведов-продовольственников и технологов общественного питания состоит из двух частей: 1) биохимия человека и 2) биохимические процессы при хранении и переработке пищевых продуктов и сельскохозяйственного сырья (техническая биохимия).
При изучении биохимии человека студенты усваивают биохимические свойства и обменные процессы основных пищевых веществ продовольственных товаров – белков, жиров, углеводов, роль витаминов, ферментов, минеральных веществ и гормонов в метаболических процессах в организме человека.
Во второй части студенты изучают вопросы влияния отдельных пищевых веществ продовольственных товаров и сельхозсырья на их технологические достоинства, качество и сохраняемость, что имеет важное значение при их переработке в пищевой промышленности и общественном питании, а также для организации их надлежащего хранения. Здесь же рассматриваются вопросы влияния ферментов на качество получаемых при переработке сырья пищевых продуктов. При этом рассматриваются как положительные стороны участия ферментов в формировании качества пищевых продуктов при их получении, так и отрицательные стороны. В этой же части рассматриваются и вопросы использования ферментов в пищевой промышленности.
Так, например, окислительно-восстановительные ферменты (тирозиназа, полифенолоксидаза, аскорбинатоксидаза, липоксигеназа), как правило, негативно влияют на качество пищевых продуктов при их получении и хранении. Тирозиназа, окисляя аминокислоту тирозин, приводит к образованию темноокрашенных соединений ферментативной природы – меланинов. что имеет место, в частности, при чистке картофеля. Полифенолоксидаза, окисляя фенольные соединения, вызывает образование окрашенных соединений, известных под названием флобафены. Все это приводит к ухудшению качества сырья и получаемых из него продуктов питания и блюд.
Ряд гидролитических ферментов в определенных пределах приводит к улучшению качества и технологических свойств продуктов. Так, например, протеолитические ферменты активно участвуют в процессах созревания мяса при использовании его в мясной отрасли и общественном питании. Пектолитические и амилолитические ферменты участвуют в созревании свежих плодов. Фитаза повышает биологическую ценность хлеба.
Некоторые пищевые производства по сути своей являются биохимическими. К ним относится, в частности, производство чая.
Выше мы говорили о собственных ферментах, содержащихся в сельхозсырье и получаемых из них пищевых продуктах. Однако в производстве и хранении продовольственных товаров и кулинарных блюд велико значение ферментов, продуцируемых микроорганизмами. Хотя в пищевой промышленности и общественном питании используются и ферменты, получаемые из растительного и животного пищевого сырья (реннин, папаин, фицин, бромелин), однако доминирующее значение имеют ферменты, получаемые из микроорганизмов. Возможности животного и растительного сырья как источника ферментов для пищевых производств весьма ограничены как в качественном отношении, так и количественном отношении.
Таким образом, биохимическая подготовка товароведов-продовольственников и технологов общественного питания является неотъемлемой органической частью их профессиональной подготовки. Биохимия является базовой дисциплиной при изучении студентами этих специальностей микробиологии, экологии, физиологии питания, товароведения и экспертизы продовольственных товаров, технологии продукции общественного питания, технологии хранения продовольственных товаров и др.
1. СТРОЕНИЕ КЛЕТКИ И ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ОРГАНИЗМОВ.
ОБЩАЯ БИОХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ
Все живые системы состоят из разнообразных веществ, которые представляют собой различнообразное сочетание атомов каких-либо элементов. Исходя из данных Сиборга и Веленса, тело человека (весом 70 кг) включает в себя следующие элементы: кислород – 45 кг, углерод – 12,6; водород – 7,0; азот – 2,1; кальций – 1,4; фосфор – 0,7кг. Калий, сера, натрий, хлор, магний, железо, фтор, кремний в сумме составляют 0,7 кг. Кобальт, молибден, барий, цинк, марганец, медь, олово содержатся в теле человека в очень маленьком количестве и поэтому их называют микроэлементами.
Изучение разнообразных живых систем показало, что в них встречаются одни и те же элементы в сходных количествах (табл. 1).
Таблица 1. Элементарный состав живых систем
| Элементы | Содержание, % | Соединения и системы, в которые входит элемент |
| О, Н, С N,Ca P, Si, K Na, Cl, Mg, Fe Br, I, Mn, Zn, Cu, Co, Mo, B | 10 и более 1-10 0.1 0,01-0,1 0,001-0,01 | Н2О и почти все органические соединения С – все органические соединения N – в составе белка, нуклеиновых кислот, некоторых углеводов и липидов Са – в составе скелета животных, раковин моллюсков S- в белках Р – в составе фосфорорганических соединений Si- в опорных тканях простейших и растений К – во всех клетках, особенно много в растительных Na, Cl – главные элементы, обусловливающие осмотическое давление в клетках Mg – в хлорофилле растений Fe – в гемоглобине крови и многих ферментах Вся группа микроэлементов входит в состав ферментных систем |
Из приведенных данных можно видеть роль отдельных элементов, входящих в состав живых систем. Однако, помимо перечисленных, обнаружен и ряд других элементов (около 40), биологическая роль которых до настоящего времени не выявлена. Не исключена возможность, что присутствие их в живых системах обусловлено механическим поступлением вместе с необходимыми веществами пищи.
При более детальном исследовании живых систем было найдено, что важнейшие соединения, т.е. молекулы, из которых построены живые организмы, практически одни и те же у самых разнообразных организмов. Это дает основание для утверждения общего принципа единства биохимического строения живых систем.
Если рассмотреть химический состав клеток живых систем с количественной стороны, то подсчет молекул активной цитоплазмы покажет, что наибольшее их количество принадлежит воде и растворенным в ней неорганическим веществам (табл. 2).
Таблица 2. Состав и относительное число молекул в цитоплазме (по де Робертису)
| Вещество | % от сырого веса цитоплазмы | Средний молекулярный вес | Относительное число молекул |
| Вода Белок Липиды Углеводы и другие вещества Неорганические вещества | 85-90 7-10 1-2 1,0-1,5 1,5 |
Органические вещества по числу молекул занимают меньший удельный вес, чем неорганические, но их биологическая роль огромна. Это особенно относится к белкам и нуклеиновым кислотам, присутствие которых характерно для всех живых систем и с которыми связаны все стороны проявления жизни. В последние годы, кроме крахмала и гликогена, выявлен ряд весьма важных полисахаридов, играющих ведущую роль в процессах проницаемости, иммунитета и др.
Среди молекул органического происхождения, имеющих относительно небольшой размер, но выполняющих важные биологические функции, следует назвать сахара (моно- и дисахариды), липиды, витамины, гормоны, некоторые азотистые и фосфорорганические соединения и другие многочисленные продукты синтеза и распада основных органических веществ, находящих в составе клеток всех живых систем.
Биологические структуры
Живые системы, даже самые простые, характеризуются высокой упорядоченностью, значительно превосходящей любые неживые системы.
Появление микроскопа привело к открытию клетки - структурной единицы каждой ткани всех живых организмов. Основные черты строения клетки, определяющие возможность осуществления упорядоченных процессов, составляющих основу жизни, одинаковы для животных, растений и микроорганизмов.
Клетка - это внешне простая система, состоящая из цитоплазмы и ядра. Однако в ней сосредоточены важнейшие проявления жизни: синтез белка, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов и других веществ, что дает основание считать ее сложнейшей химической системой.
С развитием электронномикроскопической техники в клетке были открыты структуры, о которых ранее не было известно (рис. 1).
Рис. 1. Схема строения клетки животного: 1- ядро; 2 - ядрышко; 3 - ядерная мембрана; 4 - цитоплазма; 5 - аппарат Гольджи; 6 - митохондрии; 7 - лизосома; 8 - эндоилазматическая.
Стало видно, что цитоплазма клеток дифференцированна и содержит следующие компоненты: митохондрии, в которых происходят окислительные реакции, снабжающие клетку энергией; эндоплазматический ретикулум – систему канальцев, пронизывающих цитоплазму, связывающую ее с ядром; ядро, содержащее хромосомы, в молекулярных структурах которых записана генетическая информация; ядрышко – место скопления рибонуклеиновых кислот; центросому – орган, определяющий плоскость деления клетки; рибосомы, в которых синтезируется белок; _аппарат Гольджи, найденный почти во всех клетках. Снаружи, клетка покрыта оболочкой, состоящей из наружного защитного слоя
Основные особенности метаболических процессов
Обмен веществ (метаболизм) клетки складывается в из двух потоков реакций — катаболических и анаболических.
Катаболические пути — это процессы деградации, диссимиляции. К ним относятся различные реакции расщепления (гидролиз, фосфоролиз) и окисления. Крупные органические молекулы расщепляются до простых веществ с выделением содержащейся в них свободной химической энергии. Энергия запасается организмом в форме АТФ и в других соединениях, а затем используется на процессы жизнедеятельности.
Анаболические пути — процессы синтеза, ассимиляции. При этом из простых молекул строятся сложные органические соединения. Такие пути часто включают в себя восстановительные реакции и осуществляются с затратой энергии.
Из-за разной локализации ферментов катаболизма и анаболизма такие противоположные метаболические процессы протекают в клетке одновременно. Их связывают центральные, или амфиболические, процессы (рис. 2).
Рис. 2. Связь катаболических и анаболических путей: Фн — ортофосфорная кислота, ФФН — пирофосфорная кислота.
Связь между анаболизмом и катаболизмом проявляется на трех уровнях.
1. Уровнь источников углерода: продукты катаболизма могут быть исходными субстратами анаболических реакций.
2. Энергетический уровне: в процессе катаболизма образуются АТФ и другие высокоэнергетические соединения; анаболические процессы протекают с их потреблением.
3. Уровнь восстановительных эквивалентов: реакции катаболизма являются в основном окислительными; процессы анаболизма, наоборот, потребляют восстановительные эквиваленты.
Основные биохимические реакции, их последовательность сходна у всех живых форм. Возникли на ранних этапах эволюции, и к моменту, когда началось видообразование, достигли совершенства. Сходны центральные метаболические пути.
В процессе метаболизма осуществляются четыре специфические функции.
1. Извлечение энергии из окружающей среды (в форме энергии органических веществ или в форме энергии солнечного света).
2. Превращение экзогенных веществ в «строительные блоки», т. е. в предшественники биополимеров.
3. Сборка белков, нуклеиновых кислот, липидов, полисахаридов и других клеточных компонентов из этих строительных блоков.
4. Разрушение «устаревших» биомолекул, уже выполнивших в клетке свои функции.
С химической точки зрения, метаболизм представляет собой совокупность огромного числа разнообразных реакций: окисления, восстановления, расщепления, объединения молекул, межмолекулярного переноса групп и т. д. Специфичным для обмена веществ живого организма является скоординированность отдельных реакций во времени и пространстве. Протоплазма клетки обладает сложной внутренней организацией, структурой. Биохимические процессы локализованы в определенных участках клетки, органеллах, мембранных образованиях. Синтез белка происходит в рибосомах, получение энергии в легко используемой форме — в митохондриях, анаэробная фаза дыхания, гликолиз — в цитоплазме, фотосинтез растений — в хлоропластах и т. д. Мембраны делят клетку на отделы, отсеки, компартменты (от англ. compartment), поэтому разнообразные биохимические реакции, зачастую противоположного характера, идут в клетке одновременно, не мешая друг другу, вследствие пространственного разделения — компартментализации. В этом и выражается пространственная скоординированность биохимических реакций.
В клетке отдельные биохимические реакции протекают в строго определенной временной последовательности, образуя длинные цепи взаимосвязанных реакций. Например, гликолиз углеводов протекает в 11 реакций, строго следующих одна за другой, при этом каждая предыдущая создает условия для осуществления следующей. Эта пространственная и временная скоординированность, гармоничность биохимических реакций направлены на достижение одной цели: самовозобновление, самосохранение данной живой системы — организма, клетки. Это характерно для любого живого организма, даже микроскопического.
Поглощая питательные вещества из внешней среды, живые организмы получают энергию, и строительный материал; конечные продукты обмена веществ выводятся в среду. Такие системы, в которых непрерывно происходит поступление и удаление веществ и обмен со энергией средой, называются открытыми системами. Их характерная особенность заключается в отсутствии равновесия с внешней средой.
При термодинамическом равновесии системы все параметры постоянны во времени, нет никаких стационарных потоков за счет действия внешних источников. Энтропия термодинамического равновесия максимальна, свободная энергия равна нулю. В отличие от термодинамического равновесия в биосистемах существует стационарное состояние, при котором скорость переноса вещества и энергии из среды в систему точно соответствует скорости переноса вещества и энергии из системы. Один из ведущих специалистов в области биоэнергетики А. Ленинджер называл живую клетку «неравновесной открытой системой, машиной для извлечения из внешней среды свободной энергии; в результате чего происходит возрастание энтропии среды». В живой клетке как открытой системы в стационарном состоянии отражается важнейшее свойство всего живого — постоянный обмен веществ с окружающей средой.
Живой организм как открытая стационарная система хорошо объясняет явление гомеостаза — постоянства состава внутренней среды организма, устойчивость и стабильность биохимических параметров.
Живая клетка не только потребляет вещества, но и экскретирует продукты распада, является открытой системой. Между поступлением питательных веществ в организм и выделением отработанных продуктов существует сложная, часто разветвленная система промежуточных реакций. Если скорости образования и распада промежуточных продуктов равны, устанавливается стационарное состояние. Но в окружающей среде содержание некоторых питательных веществ может резко увеличиться или уменьшиться, вследствие этого изменится скорость их поступления в клетку. Под влияием различных факторов может увеличиваться или уменьшаться скорость той или иной промежуточной реакции, скорость выведения веществ из клетки. В связи с этим значительно изменяются стационарные концентрации компонентов системы.
Как в живой клетке, так и в организме есть многочисленные чувствительные механизмы, которые «выявляют» сдвиги концентраций и компенсируют их, возвращая к норме. При изменении условий стационарного состояния в открытой системе развиваются процессы, направленные на сохранение свойств системы, — динамическая стабилизация стационарного состояния. В большинстве случаев эти механизмы функционируют по принципу обратной связи. При снижении содержания глюкозы в крови (например, вследствие голодания) происходит возбуждение определенного центра в головном мозгу, в результате чего начинает действовать сложный гормонально-ферментативный механизм расщепления запасного углевода гликогена в печени до глюкозы, которая поступает в кровь. Как только ее содержание в крови поднимается до нормы, соответствующий центр головного мозга перестает возбуждаться, механизм расщепления гликогена выключается. Это один из многочисленных примеров функционирования живого организма как саморегулирующейся системы.
Таким образом, относительное постоянство биохимических параметров живого организма не статическое, пассивное, а активное, динамическое. В организм непрерывно поступают вещества из среды, они ассимилируются, из них образуются вещества самого организма, вместе с тем постепенно «стареют» молекулы ранее имевшихся в организме соединений, идут реакции катаболизма, диссимиляции, продукты расщепления удаляются. Эти реакции находятся под контролем генетического аппарата организма, поэтому вновь образующиеся в нем вещества соответствуют признакам наследственности.
За короткое время внешние признаки организма могут не измениться, а его вещества существенно обновятся. Методом меченых атомов установлено, что половина всех белков обновляется за 80 дней, а полное обновление воды происходит за 30 дней. Виднейший английский исследователь и прогрессивный общественный деятель Дж. Бернал писал: «Молекулы в нашем теле и во всяком организме находятся в состоянии непрерывного восстановления, и атомы протекают через него почти непрерывным потоком. Вероятно, что никто из нас не сохранил больше чем несколько атомов, с которыми мы начали свою жизнь и что, будучи взрослыми, мы меняем большую часть материала нашего тела всего за несколько месяцев». Коротко эту мысль так выразил Гераклит: «Наши тела текут как ручьи, вещество в них возобновляется как вода в потоке». В постоянном обновлении веществ живого организма проявляется диалектический закон отрицания: новое отрицает старое, затем оно само становится старым и тоже отрицается новым.
Особенностью всех биохимических реакций является их большая скорость, обусловленная присутствием ферментов — биологических катализаторов. Те же реакции вне организма при участии химических катализаторов обладают скоростью на несколько порядков меньше: Ферменты как катализаторы значительно более совершенны, чем химические катализаторы.
Для метаболических процессов характерны ступенчатость и сопряженность. Многие реакции в клетке идут через ряд промежуточных этапов, ступеней. Например, окисление углеводов (клетчатка, крахмал и т. д.) в процессе сгорания вне организма протекает одноэтапно — присоединяется кислород и сразу образуются конечные продукты окисления углекислый газ и вода.
В живом организме окисление углеводов в процессе дыхания до С02 и Н20 происходит ступенчато, более чем через 20 промежуточных реакций. Часто проявляется сопряженность отдельных реакций, взаимозависимость друг от друга. Так, многие реакции биосинтеза, являясь энергопотребляющими, сопряжены обычно с экзэргоническими, в процессе которых свободная энергия выделяется в легко используемой форме. Сопряженность хорошо выражена и в многоэтапных цепных процессах, где продукты каждой предыдущей реакции являются исходными соединениями для последующей.
В жидкокристаллическом состоянии вещество единовременно имеет свойства и жидкости (способность течь, образовывать капли), и твердого тела (строгая упорядоченность кристаллической структуры). Вместе с тем у жидких кристаллов есть свойства, характерные только для них: способность образовывать монокристаллы во внешнем электромагнитном поле, крайне большая оптическая активность и др.. Для понимания биохимических явлений очень важна чрезвычайная чувствительность жидких кристаллов ко многим внешним воздействиям. Жидкие кристаллы, для которых характерна одно- или двумерная упорядоченность, способны к самоорганизации, спонтанному образованию упорядоченной структуры и ее воспроизведению. Что представляет большой интерес при исследовании и объяснении структурообразования в живых клетках.
Ни одна из перечисленных особенностей метаболических процессов не может являеться единственным фактором, придающим системе свойство живого. Жизнь как самая сложная форма движения материи может быть понята и объяснена с позиций совокупного рассмотрения всех особенностей этой формы существования белковых тел с ее постоянным обменом веществ с окружающей средой.
|
|
|
