Отличительные особенности живой материи

Отличительные особенности живой материи

Под понятием «жизнь» большинство ученых подразумевает процесс существования сложных систем, состоящих из больших органических молекул, способных самовоспроизводиться и поддерживать свое существование в результате обмена энергией и веществом с окружающей средой.

Все живые организмы построены из молекул. Если эти молекулы выделить и изучать в изолированном состоянии, то оказывается, что они подчиняются всем физическим и химическим законам, определяющим поведение неживого вещества. Тем не менее, живые организмы обладают необычными свойствами, отсутствующими в скоплениях неживой материи:

1. Неживая среда (почва, вода, горные породы) обычно представляет собой неупорядоченные смеси относительно простых химических соединений, характеризующиеся весьма слабо выраженной структурной организацией. Для живых организмов сложность строения и высокий уровень организации.

2. Каждая составная часть живого организма имеет специальное назначение и выполняет строго определенную функцию. Это справедливо не только для внутриклеточных структур (например, ядро или клеточная мембрана), но и для индивидуальных химических компонентов клетки – липидов, белков и нуклеиновых кислот. Поэтому, в случае живых организмов вполне уместен вопрос о функции каждой молекулы. В то же время такой вопрос применительно к молекулам, образующим неживые вещества, был бы неуместен и попросту бессмыслен.
3. Важной особенностью живых организмов является их способность извлекать из окружающей среды и преобразовывать энергию, которая расходуется на построение и поддержание характерной для живого сложной структурной организации, причем в качестве сырья используются простые исходные материалы. Неживая материя не обладает подобной способностью использовать внешнюю энергию для поддержания собственной структуры. Напротив, когда неживая система поглощает внешнюю энергию, например свет или тепло, она, как правило, переходит в состояние, характеризующееся меньшей степенью упорядоченности.

4. Самое поразительное свойство живых организмов – это их способность к точному самовоспроизведению, т.е. к производству на протяжении



4

многих поколений форм, сходных по массе, размеру и внутренней структуре.

По своему химическому составу живые организмы сильно отличаются от окружающей среды, в которой они живут.

В живых организмах, составляющих биомассу Земли, обнаружено свыше 60 химических элементов. Среди них условно выделяют группу элементов, встречающихся в составе любого организма, независимо от видовой принадлежности и уровня организации последнего. К их числу относят C, N, H, O, S, P, Na, K, Ca, Mg, Zn, Fe, Mn, Cu, Co, Mo, B, V, I и Cl.

Первые шесть элементов, получивших название органогенов, играют исключительную роль в биосистемах, так как из них построены важнейшие соединения, составляющие основу живой материи – белки, нуклеиновые кислоты, углеводы , липиды и др. Общая массовая доля этих элементов в организме человека составляет 97,3 %. Из них: С – 21,0; Н –

9,7; О – 62,4; N – 3,1; Р – 0,95 и S – 0,16 %. В неживой материи эти элементы распространены гораздо меньше. В атмосфере и в земной коре они встречаются только в виде простых, стабильных и бедных энергией неорганических соединений, таких, например, как диоксид углерода, молекулярный азот, карбонаты и нитраты.
Последующие десять элементов называют «металлами жизни» – они очень важны для поддержания структуры и функциональной активности биополимеров. На их долю в организме приходится 2,4 %. Все «металлы жизни» в живых организмах находятся в виде свободных катионов или являются ионами-комплексообразователями, связанными с биолигандами. В виде свободных катионов находятся только натрий и калий, катионы кальция и магния встречаются как в свободном, так и в связанном состояниях (в виде комплексов или водонерастворимых соединений). Катионы остальных «металлов жизни» в основном входят в состав биокомплексов организма, устойчивость которых варьируется в широких пределах. Остальные элементы, обнаруженные в биомассе, встречаются в живой природе не столь систематически, а биологическое значение их во многих случаях еще не выяснено.

Органогены играют важную роль в явлениях жизни благодаря комплексу особых качеств. Для органогенов характерно исключительное

разнообразие образуемых ими химических связей, что определяет многообразие биомолекул в живых организмах. Вследствие этого, углерод, например, превосходит кремний в отношении числа и разнообразия возможных соединений, обладающих уникальными свойствами. Второе качество заключается в том, что атомы упомянутых элементов, отличаясь малыми размерами, образуют относительно плотные молекулы с минимальными межатомными расстояниями.

Такие молекулы более устойчивы к действию тех или иных химических


5

агентов. И, наконец, третье качество присуще в основном P и S, и лишь в небольшой мере N и сводится к возникновению на базе указанных элементов специфических соединений , при расщеплении которых выделяется повышенное количество энергии, используемое для процессов жизнедеятельности. И наконец, органогены образуют, в основном, водорастворимые соединения, что способствует их концентрированию в живых организмах, содержащих более 60 % воды.

По количественному содержанию в живом веществе элементы делят на три категории: макроэлементы, концентрация которых превышает 0,001 % (O, C, H, Ca, N, P, S, Mg, Na, Cl, Fe), микроэлементы, доля которых составляет от 0,001 до 0,000001 % (Mn, Zn, Cu, B, Mo, Co и многие другие) и ультрамикроэлементы, содержание котрых не превышает

0,000001 % (Hg, Au, U, Ra и др.).

Из макроэлементов в наибольшем количестве в биомассе содержатся О, С, N и Ca. Из них только О и Са широко представлены в земной коре. Многие элементы, содержащиеся в литосфере в значительном количестве (Si, Al, Fe и др), в органическом мире встречаются сравнительно в невысоких концентрациях.

Главная функция макроэлементов состоит в построении тканей и в поддержании осмотического, водно-электролитного, кислотно-основного, окислительно-восстановительного и металло-лигандного гомеостаза, то есть поддержании нормального постоянного внутреннего состояния организма. Микроэлементы входят в состав ферментов, гормонов, витаминов и других биологически активных соединений, в основном в качестве комплексообразователей или активаторов обмена веществ. Микроэлементы неравномерно распределяются между тканями и органами. Большинство микроэлементов в максимальных концентрациях содержатся в ткани печени, поэтому печень рассматривается как депо для микроэлементов. Некоторые микроэлементы проявляют особое сродство к определенным тканям. Например , повышенное содержание йода наблюдается в щитовидной железе, фтора – в эмали зубов, цинка – в поджелудочной железе, молибдена в почках, бария – в сетчатке глаза, стронция – в костях, а марганца, брома, хрома – в гипофизе.

Количественное содержание микроэлементов в организме человека подвержено значительным колебаниям и зависит от ряда условий: возраста, пола, времени года и суток, условий труда и т.д. Изменения в распределении микроэлементов между тканями организма могут служить диагностическим тестом и прогнозом того или иного заболевания, а также могут использоваться в судебно-медицинской экспертизе.
При нормальном протекании физиологических процессов в организме поддерживается определенный уровень насыщения тканей микроэлементами, т.е. микроэлементный гомеостаз. В поддержании


6

оптимального уровня микроэлементов в организме участвуют гормоны. Содержание микроэлементов ниже или выше этого уровня приводит к серьезным последствиям для здоровья человека.
Между элементным составом живых организмов и окружающей средой прослеживаются определенные взаимосвязи, указывающие на единство живой и неживой природы. Так, например, те элементы, которые легко образуют водорастворимые и газообразные соединения, составляют основную массу биосферы (C, N, P, S), хотя в земной коре их содержание относительно невелико. Элементы, которые не дают водорастворимых соединений, широко распространены в неорганической природе, а в составе организмов встречаются в незначительных количествах (Si, Fe, Al).

Установлена определенная зависимость между биологической ролью элементов и их местом в периодической системе Менделеева: количественное содержание химических элементов в организме обратно пропорционально их порядковым номерам. Органический мир построен главным образом из легких элементов. В подавляющем большинстве случаев при переходе от легких элементов к тяжелым в пределах одной и той же подгруппы возрастает токсичность элементов и параллельно этому падает их содержание в живых организмах (Zn, Cd, Hg). Элементы некоторых подгрупп взаимозаменяют друг друга в биологических объектах (Ca, Sr, Ba).

Таким образом, решающее значение в использовании организмами тех или иных химических элементов связано с их доступностью для организмов в окружающей среде, а также способностью организмов избирательно поглощать и концентрировать их. С точки зрения химии естественный отбор элементов сводится к отбору таких элементов, которые способны к образованию, с одной стороны достаточно прочных, а с другой стороны – лабильных химических связей.

Как уже указывалось выше, многочисленные макро- и микроэлементы, образующие живую материю, присутствуют в последней в виде разнообразных химических соединений. Большинство химических компонентов живых организмов представляют собой органические соединения, в которых углерод и азот находятся в гидрированной форме. Все органические биомолекулы в конечном счете происходят из очень простых низкомолекулярных предшественников, получаемых из внешней среды, а именно из СО2, воды и атмосферного азота.

Эти предшественники последовательно превращаются через ряд промежуточных продуктов в биомолекулы все большей молекулярной массы, играющие роль строительных блоков, т.е. в органические соединения среднего молекулярного веса.



7

В дальнейшем эти строительные блоки связываются друг с другом ковалентными связями, образуя макромолекулы, обладающие относительно высокой молекулярной массой. Например, аминокислоты – это строительные блоки, из которых образуются белки; мононуклеотиды служат строительными блоками нуклеиновых кислот, моносахариды – строительными блоками полисахаридов, а жирные кислоты – строительными блоками большинства липидов.

Немногочисленные простые молекулы, играющие роль строительных блоков макромолекул, имеют еще одну замечательную особенность. Все они обычно выполняют в клетках несколько функций. Так, аминокислоты служат не только строительными блоками белковых молекул, но также предшественниками гормонов, алкалоидов, порфинов, пигментов и многих других биомолекул, а мононуклеотиды используются не только как строительные блоки нуклеиновых кислот, но также как коферменты и вещества-аккумуляторы энергии. Поэтому представляется вполне вероятным, что биомолекулы, играющие роль строительных блоков, отбирались в процессе эволюции по своей способности выполнять не одну, а несколько функций. Живые организмы в обычном состоянии не содержат нефункционирующих соединений , хотя существуют биомолекулы, функции которых пока неизвестны.

На следующем, более высоком уровне организации макромолекулы, относящиеся к различным группам, объединяются друг с другом, образуя надмолекулярные комплексы. Например, липопротеиды представляют собой комплексы липидов и белков, или рибосомы – комплексы нуклеиновых кислот и белков. В надмолекулярных комплексах, составляющие их макромолекулы не связываются друг с другом с помощью ковалентных связей; они «удерживаются вместе» при помощи слабых нековалентных сил – ионных взаимодействий, водородных связей, гидрофобных взаимодействий и вандервальсовых сил. Тем не менее, нековалентное связывание макромолекул в надмолекулярные комплексы очень специфично и, как правило, весьма стабильно вследствие тщательной геометрической «подгонки» или комплементарности отдельных частей комплекса.

На высшем уровне организации в иерархии клеточной структуры различные надмолекулярные комплексы объединяются в органелы (ядра, митохондрии, хлоропласты) или в другие тельца и включения (лизосомы, микротельца и вакуоли). Установлено, что различные компоненты всех этих структур также объединяются в основном, при помощи нековалентных взаимодействий.

Из всех макромолекул в живых организмах чаще встречаются белки, причем это справедливо для всех типов клеток. Оказалось, что все четыре основных типа биологических макромолекул встречаются в разных


8

клетках приблизительно в одних и тех же пропорциях, если не считать «неживые» части живых организмов – наружный скелет, минеральные компоненты кости, внеклеточные образования (волосы, перья), а также инертные запасные вещества, например крахмал и жир.

Функции четырех главных классов биомакромолекул во всех клетках также оказались идентичными. Так, универсальная функция нуклеиновых кислот состоит в хранении и передаче генетической информации. Белки являются непосредственными продуктами, а также «реализаторами» действия генов, в которых заключена генетическая информация. Большинство белков наделено специфической каталитической активностью и функционирует в качестве ферментов; остальные белки служат структурными элементами . Полисахариды выполняют две основные функции. Некоторые из них (например крахмал) служат формой, в которой хранится «горючее», необходимое для жизнедеятельности клетки, а другие (например целлюлоза) образуют внеклеточные структурные компоненты. Что касается липидов, то они служат, во-первых, главными структурными компонентами мембран и, во-вторых, запасной формой богатого энергией «горючего».

Из всего сказанного становится ясным, что при всей сложности молекулярной организации клетки для нее характерна изначальная простота, так как тысячи ее различных макромолекул построены из немногочисленных типов простых молекул – строительных блоков. Очевидно, что постоянство каждого вида организмов сохраняется благодаря наличию лишь ему свойственного набора нуклеиновых кислот и белков. Под функциональным многообразием молекул, являющихся строительными блоками, кроется принцип молекуклярной экономии. Вероятно, живые клетки содержат наименьшее число типов наипростейших из всех возможных молекул, достаточное для того, чтобы обеспечить свойственную им форму существования в определенных условиях среды, т.е. видовую специфичность.

Основными типами соединений, входящих в состав живых организмов, являются: белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды (жиры и жироподобные вещества), вода, минеральные соли. Кроме них в составе организмов найдены в незначительных количествах

углеводороды, спирты, карбоновые кислоты, кетокислоты, аминокислоты, амины, альдегиды, кетоны и другие соединения. У

некоторых видов животных, растений и микроорганизмов такие вещества накапливаются в значительных количествах и могут служить

систематическим признаком. Только в растениях обнаружены эфирные масла, алкалоиды, дубильные вещества. Для регуляции обмена веществ во всех живых организмах присутствуют в небольших количествах
гормоны, ферменты, витамины, антибиотики. Многие из упомянутых


9

соединений обладают мощным физиологическим действием и выполняют роль ускорителей или замедлителей жизненных процессов. Их иногда объединяют под названием биологически активных соединений, хотя химически они очень разнообразны.

Среди соединений, входящих в состав организмов, принято выделять

пластические и энергетические вещества. Пластические вещества

служат строительным материалом при формировании внутриклеточных структур, клеток и тканей. Это главным образом белки, нуклеиновые кислоты, некоторые виды липидов и высокомолекулярных углеводов. Энергетические вещества выполняют роль поставщиков энергии для процессов жизнедеятельности. К ним относятся низкомолекулярные (углеводы) и некоторые высокомолекулярные (гликоген, крахмал) углеводы и отдельные группы липидов (в основном жиры).