Лекция 1. Физико-химические принципы организации и функционирования живых систем

Живые организмы- открытые термодинамические системы. Законы термодинамики в биологии. Стационарное состояние. Энтропия живых систем. Термодинамические потенциалы биохимических реакций. Энтальпия, закон Гесса. Изменение стандартной свободной энергии и константа равновесия.

Все живые существа состоят из клеток - маленьких, окруженных мембраной полостей, заполненных концентрированным водным раствором химических веществ. Простейшие формы жизни - это одиночные клетки, размножающиеся делением. Более высокоразвитые организмы, такие как мы сами, можно сравнить с клеточными городами, в которых специализированные функции осуществляют группы клеток, в свою очередь связанные между собой сложными системами коммуникаций. В известном смысле клетки находятся на полпути между молекулами и человеком. Мы изучаем клетки, чтобы понять, каково их молекулярное строение, с одной стороны, и чтобы выяснить, как они взаимодействуют для образования столь сложного организма, например, как человек, - с другой.

Считается, что все организмы и все составляющие их клетки произошли эволюционным путем от общей предковой клетки. Два основных процесса эволюции - это 1) случайные изменения генетической информации, передаваемой от организма к его потомкам, и 2) отбор генетической информации, способствующей выживанию и размножению своих носителей. Эволюционная теория является центральным принципом биологии, позволяющим нам осмыслить ошеломляющее разнообразие живого мира.

Живая клетка состоит из ограниченного набора элементов, причем на долю шести из них (С, Н, N, О, Р, S) приходится более 99% ее общей массы. Такой состав, заметно отличающийся от состава земной коры, свидетельствует о химизме особого типа (рис. 2).

Рис. 2. Относительное содержание химических элементов в Земной коре (неживой мир), и в мягких тканях организмов. Относительное количество выражено в процентах к общему числу атомов. Так, например, на долю водорода приходится около 50% от числа всех атомов, присутствующих в живых организмах.

В чем же своеобразие химии живого и как оно возникло в процессе эволюции? Соединение, которое живая клетка содержит в наибольшем количестве, - это вода. Она составляет 70-80 % массы большинства клеток, и все биохимические реакции протекают в водной среде. Жизнь на нашей планете возникла в океане, и условия этой первобытной среды наложили неизгладимый отпечаток на химию живых существ. «Конструкция» всех живых организмов связана с уникальными свойствами воды, такими, как полярный характер ее молекул, способность к образованию полярных связей и большое поверхностное натяжение.

Если не считать воды, можно сказать, что почти все молекулы клетки, за небольшим исключением, относятся к соединениям углерода, которые рассматриваются в курсе органической химии.Среди всех элементов Земли углерод занимает особое место по способности к образованию больших молекул; до некоторой степени аналогичной способностью обладает кремний, однако он сильно уступает углероду в этом отношении. Благодаря малому размеру и наличию на внешней оболочке четырех электронов атом углерода может образовать четыре прочные ковалентные связи с другими атомами. Наиболее важное значение имеет способность атомов углерода соединяться друг с другом, образуя цепи и кольца и создавая в результате большие и сложные молекулы, на размеры которых не накладывается никаких видимых ограничений. Другие атомы, широко представленные в клетке (Н, N и О), имеют, как и углерод, небольшие размеры и способны образовать очень прочные ковалентные связи (схема 2-2).

В принципе, правила образования ковалентной связи между углеродом и другими элементами допускают существование астрономически большого числа соединений. Количество различных углеродных соединений в клетке действительно очень велико, но это лишь крошечная часть теоретически возможного. В некоторых случаях мы можем довольно убедительно обосновать, почему то или иное соединение выполняет именно данную биологическую функцию; однако чаще возникает ощущение, что выбор пал на один из многих приемлемых вариантов и свою роль здесь сыграл случай. Определенные типы реакций и химические мотивы, однажды установившись, сохранили (с некоторыми вариациями) свой характер в ходе эволюции. Появление новых классов соединений было, очевидно, необходимым или целесообразным лишь в редких случаях.

Хотя живые системы состоят из тех химических элементов, что и неживая природа, у них существуют свойства, которые отсутствуют у неживых объектов: 1) способность к метаболизму, т. е. к обмену вещества и энергии; 2) воспроизведению себе подобных (с передачей генетической информации). При этом живые существа являются составной частью природы и подчиняются всем основным законам природы, таким, в том числе и законам термодинамики. Метаболизм – это упорядоченные процессы преобразования вещества и энергии в результате химических реакций, протекающих в живых клетках. Метаболизм включает в себя процессы синтеза органических соединений, (в т.ч. и макромолекул из атомов и молекул), и процессы распада сложных молекул до простых компонентов. Соответственно, с этой точки зрения, жизнь это есть непрерывный химический процесс, включающий тысячи химических реакций. Для понимания биологических превращений нам необходимо понятие энергии. Любая химическая (биохимическая) реакция протекает с поглощением (эндоорганическая реакция) или выделением (экзорганическая реакция) энергии.

Энергия (от греч. enérgeia — действие, деятельность), общая количественная мера движения и взаимодействия всех видов материи. Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает; она только может переходить из одной формы в другую. Понятие энергии связывает воедино все явления природы. В соответствии с различными формами движения материи условно рассматривают различные формы энергии механическую, химическую, электрическую, энергию электромагнитного излучения, ядерную энергию. механическую,, ядерную и др. В случае непрерывной среды или поля вводятся понятия плотности энергии., т. е. энергия в единице объема, и плотности потока энергии, равной произведению плотности энергии на скорость ее перемещения. Согласно классической физике, энергия любой системы меняется непрерывно и может принимать любые значения. Согласно квантовой теории, энергия микрочастиц, движение которых происходит в ограниченной области пространства (например, электронов в атомах), принимает дискретный ряд значений. Атомы излучают электромагнитную энергию в виде дискретных порций —квантов, или фотонов.

Превращение энергии в живых системах подчиняется законам термодинамики. Раздел науки, которая изучает эти проблемы, называется биологической термодинамикой. Законы термодинамики универсальны для живой и неживой природы, и формулируя их, мы не исследуем сущности явлений, происходящих в этих системах. Классическая термодинамика не изучает закономерности, связанные с конкретной структурой вещества. Термодинамика- наука феноменологическая (“феномен” - явление). Так, с позиции термодинамики, процессы происходящие при движении поршня в цилиндре, нагревании воды в чайнике и прорастании семени, принципиально не различаются. Состояние термодинамической системы, в т.ч. и биологической системы определяется совокупностью независимых параметров. Параметры системы – это поддающиеся измерению макроскопические физические величины. К важнейшим параметрам термодинамической системы относятся обьем, температура, давление. Экстенсивные параметры, зависят от количества вещества в системе, например, объем, масса, внутренняя энергия. И нтенсивные, не зависят от количества вещества в системе (давление, температура). При взаимодействии термодинамической системы с окружающей средой ее параметры изменяются.

Внутренняя энергия (U) есть суммарная потенциальная и кинетическая энергия взаимодействия всех компонентов системы. В термодинамике представляет интерес не столько значение внутренней энергии, сколько ее изменение (∆U) при изменении состояния системы. В идеальных газах ее изменение внутренней энергии связано с изменением температуры, которая определяется изменением средней кинетической энергии хаотического движения частиц системы. В реальных газах, жидкостях, твердых телах внутренняя энергия включает энергию внутримолекулярного и межмолекулярного взаимодействий.

Теплотой или количеством теплоты (Q) называют ту часть внутренней энергии, которая передается системой в окружающую среду (или передается системе из окружающей среды) в процессе теплообмена. Количество теплоты имеет положительное значение, если теплота передается от внешних тел в систему. Внутренняя энергия системы при этом повышается. Отношение количества теплоты полученного или отданного системой к температуре, при которой происходит теплообмен (Q/Т), называют приведенным количеством теплоты.

Работа или количество работы (W) - это часть внутренней энергии, которая передается системой в окружающую среду (или системе из окружающей среды) не используя при этом разность температур, т.е. не за счет теплообмена. Значение работы считается положительным, если работа выполняется внешними силами над системой. В этом случае внутренняя энергия системы повышается. При выполнении работы системой над внешней средой ее значение будет отрицательным.

Необходимо уточнить, что теплота и работа не являются формами энергии, а характеризуют лишь способ передачи энергии. Изменение внутренней энергии термодинамической системы может происходить или за счет теплообмена, или за счет совершения работы. Поэтому энергия, работа, теплота- это взаимосвязанные величины. В системе СИ единицей измерения этих величин является джоуль (1Дж = 1Н·м). Внесистемная единица измерения энергии, работы и теплоты – калория (1 кал = 4,187 Дж). 1 кал – количество энергии, необходимое для повышения температуры 1 г воды на 1 ºС.

Таблица 1

Дата добавления: 2014-01-11