Идеи и модели эволюционной химии

Государственное бюджетное  образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

«Уральская государственная  медицинская академия»

Министерства здравоохранения  и социального развития

Российской Федерации

 

 

 

Кафедра медицинской физики, математики и информатики

 

 

Реферат на тему:

«Идеи и модели эволюционной химии»

 

 

 

                             Выполнила: студентка гр. ОЛД – 211

Хазиева Виктория Владимировна

 

Руководитель: Аксёнова Вера Ильинична

                                                                                      

 

 

 

 

 

 

Екатеринбург, 2013

Содержание

Введение                                                                                                           3

1.«Лаборатория живого организма» – идеал химиков                              4 - 5

2.Ферменты в биохимии и в биоорганической химии                                6 – 8

3.Понятия «организация» и «самоорганизация» и их

познавательные функции  в химии                                                            8 – 9

4.Общая теория химической эволюции и биогенеза А. П. Руденко         9 – 12

5.Нестационарная кинетика и развитие представлений

об эволюции химических систем                                                          12 – 13

6.Освоение опыта живой природы                                                                   14

Заключение                                                                                                    15

Литература                                                                                                     16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Еще до недавнего времени, до 50 - 60-х гг. об эволюционной химии  ничего не было известно. В отличии от биологов, которые вынуждены были использовать эволюционную теорию Дарвина для объяснения происхождения многочисленных видов растений и животных, химиков вопрос о происхождении вещества не волновал, потому что получение любого нового химического индивида всегда было делом рук и разума человека: молекула нового химического соединения конструировалась по законам структурной химии из атомов и атомных групп.

 Возникновению эволюционной  химии способствовали исследования  в области моделирования биокатализаторов. Искусственный выбор каталитических  структур ориентировался на естественную, осуществляемую природой эволюцию  от неорганической химии к  живым системам. Другим основанием  для развития исследований в  области эволюционной химии являются  реальные достижения «нестационарной  кинетики».

 В результате этих  достижений у химиков появилась  возможность решать эволюционные  проблемы применительно к своим  объектам. Это проблемы самопроизвольного  (без участия человека) синтеза  новых химических соединений, являющихся  более высокоорганизованными продуктами  по сравнению с исходными веществами. Поэтому эволюционную химию считают предбиологией.

Целью данной работы является изучение моделей эволюционной химии. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

 

 

 

 

 

 

 

1. «Лаборатория живого организма» – идеал химиков

Эволюционная химия –  наука  о самоорганизации и  о саморазвитии химических систем. Она изучает процессы самоорганизации  вещества: от атомов и простейших молекул  до живых организмов.

Термин “химическая эволюция”  был введен в науку М. Кальвином  в 50-х годах. М. Кальвин выделил  следующие четыре основных этапа  развития материи: ядерную эволюцию, химическую эволюцию, биологическую  эволюцию и психосоциальную эволюцию. Пионерской была работа А. И. Опарина, предложившего  коацерватную теорию происхождения жизни. Заслуга гипотезы Опарина состоит в том, что в ней происхождение жизни рассматривается как многостадийный исторический процесс, важнейшей составной частью которого является химическая эволюция вещества от простейших соединений до невероятно сложных молекул белковой природы.

Основатель органической химии - шведский ученый Йенс Якоб Берцелиус был первым ученым, осознавшим исключительно высокую упорядоченность и эффективность химических процессов в живых организмах. Именно он впервые установил, что основой основ лаборатории живого организма является катализ, а точнее биокатализ, т. е. ускорение различных реакций в живых клетках специальными белками – ферментами.

Идеалом совершенства каталитических превращений считали лабораторию  живого организма немецкий ученый Ю. Либих, французский естествоиспытатель М. Бертло и многие другие химики Х1Х столетия. Но и в ХХ в. химизм живой природы оставался идеалом исследователей.

Академик А.Е.Арбузов писал: «Чем же химия будущего должна отличаться от химии настоящего? Подражание живой природе есть химия будущего! И в тот день, когда в лаборатории будет синтезирован первый фермент, т. е. биокатализатор, мы можем сказать, что наука получила в свои руки ключ, который она так долго и упорно ищет, - это ключ к химии живой природы».

Много внимания вопросам ориентации на каталитический опыт живой природы  уделял лауреат Нобелевской премии Н. Н. Семенов. Он говорил о химических процессах, протекающих в тканях растений и животных, как о своеобразном «химическом производстве» живой  природы. Природа при зарождении и эволюции новых организмов создала  «молекулярные машины» исключительной точности, быстроты действия и необычайного совершенства. Например, вскрытый недавно  химиками и биологами синтез больших  белковых молекул со строгим чередованием аминокислот. В клетках имеются  «субмикроскопические сборные заводики» - рибосомы, включающие в себя рибонуклеиновые  кислоты как сборочные «машины». Каждый сорт коротких молекул транспортных рибонуклеиновых кислот захватывает  один определенный вид аминокислот, несет их в рибосому и ставит каждую аминокислоту на свое место, согласно информации, содержащейся в молекулах  рибонуклеиновых кислот. Тут же к  аминокислотам подходят катализаторы - ферменты и осуществляют «сшивку» аминокислот в одну молекулу белка  со строгим чередованием. Это настоящий  квалифицированный завод, строящий молекулы по плану, выработанному природой в процессе эволюции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Ферменты в биохимии и в биоорганической химии

Исследования, направленные на выяснение как материального  состава растительных и животных тканей, так и химических процессов, происходящих в организме, осуществлялись и «чистыми» химиками - органиками, и биохимиками, и медиками. У каждой из этих групп специалистов были свои цели.

Химиков-органиков увлекали перспективы синтеза все более  сложных веществ путем конструирования  их молекул с целью показать возможности  искусственного получения аналогов органических соединений, образующихся в живых организмах. Биологи преследовали цели изучения субстратной и функциональной основ живого. Медики стремились выяснить границы между нормой и патологией в организмах. Объединяющим началом  всех этих исследований является идея о ведущей роли ферментов и  биорегуляторов в процессе жизнедеятельности.

Изучение химизма живой  природы происходило в недрах динамической биохимии, предметом которой  стали химические процессы, происходящие в живом организме.

Исторические корни динамической биохимии являются довольно глубокими. История изучения брожения - типичный пример исследования живой природы. В нем как в зеркале отразились все трудности и все перипетии  проникновения в тайны живого. Надежды Берцелиуса на особые функции  катализа в жизнедеятельности организмов, гениальные предвидения Пастера  о различии между бесклеточным брожением  и ферментативной деятельностью  дрожжевых клеток, и, наконец, открытие белковой основы ферментов и их глубокой дифференциации.

Исследование явления  брожения явилось программой развития энзимологии (ферментологии), как стержневой области знаний о процессах жизнедеятельности. Эти исследования выявили две  противоположные точки зрения на биокатализ вообще. Их условно можно назвать химической и биологической.

Химическая концепция  брожения, базирующаяся на успехах  препаративного органического синтеза, в тенденции сводила весь биокатализ к обычному химическому катализу.

Несмотря на значительные упрощения в познании действительности, ее заслуги в развитии энзимологии  велики. Именно она помогла установить многие положения, прочно вошедшие в  современную энзимологию, а именно:

1. аналогию между биокатализом и катализом, между ферментами и катализаторами;
2. положение о наличии в ферментах двух неравноценных компонентов - своего рода активных центров и носителей;
3. заключение о важной роли ионов переходных металлов в активных центрах многих ферментов;
4. вывод о распространении на биокатализ законов химической кинетики;
5. сведение в отдельных случаях биокатализа к катализу неорганическими реагентами (гидролиз крахмала до глюкозы в присутствии серной кислоты).

Биологическая концепция  на первых этапах развития энзимологии  не имела таких веских экспериментальных  доказательств, какие находились под  химической концепцией. Самой фундаментальной  опорой биологической концепции  были труды Пастера, в частности, его прямые наблюдения за деятельностью  молочно-кислых бактерий, открытие им маслянокислого брожения и существования анаэробиоза, т. е. способности микроорганизмов получать необходимую им энергию для жизнедеятельности путем брожения.

С одной стороны, получен  вывод о том, что состав и структура  биополимерных молекул представляют единый стандартизованный набор  для всех живых существ, что указывает  на единство физико–химических законов, управляющих как абиогенными процессами, так и процессами жизнедеятельности.

С другой стороны, была показана исключительная специфичность живого, которая проявляется не только в  высоких уровнях организации  клетки, но и в поведении фрагментов живых систем на молекулярном уровне, где находят отражение закономерности других уровней.  Специфичность молекулярного  уровня живого проявляется в существенном различии принципов действия катализаторов  и ферментов, в различии механизмов образования полимеров и биополимеров, (их структура определяется генетическим кодом).

 

3. Понятия «организация» и «самоорганизация» и их познавательные функции в химии

В основе живого лежит биокатализ. На этом основании некоторые учёные стали связывать химическую эволюцию  с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем. Понятия «организация» и «самоорганизация» имеют очень широкое распространение во многих отраслях знаний и обычно характеризуются как общенаучные понятия. Они обозначают упорядоченность существования качественно изменяющихся, или процессуальных систем.

Существует два разных подхода к проблеме самоорганизации  предбиологических систем. Это называемые «субстратный» и «функциональный» подходы.

К первому из них относят  те теории происхождения жизни, отправным  пунктом которых является строго определенный состав элементов - органогенов  и не менее определенная структура  входящих в живой организм химических соединений. Рациональными результатами субстратного подхода к проблеме биогенеза, является накопленная информация об отборе химических элементов и  структур.

Ныне известно более ста химических элементов. Однако основу живых систем составляют только 6 элементов, получивших наименование органогенов; это - углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера, общая весовая доля которых в организмах составляет 97,4%.

За ними следуют 12 элементов, которые принимают участие в  построении многих физиологически важных компонентов биосистем: - натрий, калий, кальций, магний, железо, кремний, алюминий, хлор, медь, цинк, кобальт, марганец. Их весовая доля в организмах примерно 1,6%.

Картина химического мира отчетливо свидетельствует об отборе элементов. Теперь известно около десяти миллионов химических соединений.

Из них подавляющее  большинство (около 96%) - это органические соединения, основной строительный материал которых - все те же 6-18 элементов. И  как это ни парадоксально, из всех остальных 95-99 химических элементов  природа (по крайней мере, на Земле) создала лишь около 300 тыс. неорганических соединений.