Учебное пособие: Концепции современного естествознания (химическая составляющая)

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:

􀀹 аналогию между биокатализом и катализом, между ферментами и катализаторами;

􀀹 положение о наличии в ферментах двух неравноценных компонентов – своего рода активных центров и носителей;

􀀹 заключение о важной роли ионов переходных металлов в активных центрах многих ферментов;

􀀹 вывод о распространении на биокатализ законов химической кинетики;

􀀹 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.

Открытая Пастером строгая стереоспецифичность живой природы, позволила ему сделать вывод об особом уровне материальной организации ферментов. О достоверности и перспективности идей Пастера свидетельствуют сегодня и химия, и биология. И именно неклассические формы – эволюционный катализ и молекулярная биология.

С одной стороны, получен вывод о том, что состав и структура биополимерных молекул представляют единый стандартизованный набор для всех живых существ, вполне доступный для исследования физическими и химическими методами, 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 следующем: в существенном различии принципов действия катализаторов и ферментов, в различии механизмов образования полимеров и биополимеров, (их структура определяется генетическим кодом) и, наконец, в совсем не-обычном факте: некоторые реакции окисления-восстановления в клетке «могут происходить без непосредственного контакта между реагирующими молекулами». Это говорит о том, что в живых системах осуществляются такие типы химических превращений, которые не были обнаружены в неживом мире.

Утверждения Пастера оказались достоверными и ведут надежными путями к действительному освоению каталитического опыта живой природы.

5.3 Пути освоения каталитического опыта живой природы

Перспективными путями освоения опыта живой природы представляются те, которые ведут к определенным практическим результатам - к созданию промышленных аналогов химических процессов, происходящих в живой природе.

Первый из этих путей – это развитие исследований в области металлокомплексного катализа с постоянной ориентацией на соответствующие объекты живой природы. Ныне реализовано более 40 многотоннажных промышленных процессов с участием металлокомплексных катализаторов. Сегодня металлокомплексный катализ постепенно обогащается такими приемами, которыми пользуются живые организмы в ферментативных реакциях, а также приемами гетерогенного катализа.

Второй путь, ведущий к решению конкретных задач освоения каталитического опыта живой природы, заключается в определенных успехах моделирования биокатализаторов. В. ангенбеку, Л.А. иколаеву и другим исследователям путем искусственного отбора удалось построить модели многих ферментов, характеризующиеся высокой активностью и селективностью, иногда почти такой же, как и у оригиналов. Но ни одна до сих пор полученная модель не в состоянии заменить природные аналоги. Этот вывод не так уж пессимистичен. Речь идет о замене биокатализаторов в биосистеме искусственной моделью. Такая задача очень трудная, она сравнима с задачей создания искусственных органов.

Фермент можно выделить из живой системы, можно точно определить его структуру. Фермент можно ввести в реакцию и заставить осуществлять каталитические функции. Но при этом оказывается, что он работает всего лишь несколько минут. Во время работы он разрушается. Цельная клетка со всем ее ферментным аппаратом – более важный объект, чем одна, грубо удаленная деталь. Биокатализ нельзя отделить от проблемы биогенеза, происхождения жизни, и какими бы трудными не казались эти вопросы, у исследователя ничего другого не остается.

Третий путь к освоению «приемов», которыми пользуется живая природа в своих «лабораториях» in vivo, состоит в значительных достижениях химии иммобилизованных систем.

«Техническая биохимия» не могла пойти далее нескольких ограниченных областей промышленности, где применяются преимущественно гидролитические ферменты, выделяемые микроорганизмами. Эти области – производство вин, пива, чая, хлеба и некоторых пищевых продуктов, обработка кожи. Все попытки использовать богатейший набор ферментов, которым располагает природа, для осуществления лабораторных и промышленных процессов наталкивались на неразрешимые проблемы:

􀀹 трудную доступность чистых ферментов и их высокую стоимость;

􀀹 их нестабильность при хранении и транспортировке;

􀀹 быстро наступающую потерю их активности в работе, даже если удалось их выделить и ввести в реакцию.

В настоящее время эти проблемы удалось частично решить. Открыты пути стабилизации ферментов, и именно это обстоятельство стало основанием химии иммобилизованных систем, или «биоорганического катализа». Сущность иммобилизации состоит в закреплении выделенных из живого организма ферментов на твердой поверхности или в геле, что обеспечивает его стабильность и непрерывное действие в условиях in vitro. Решены вопросы использования иммобилизованных ферментов в тонком органическом синтезе, в трансформации стероидов, в модификации малостабильных состояний, в разделении рацематов на оптически активные формы. Изучаются перспективы ферментативного обезвреживания сточных вод.

Следующий, четвертый, путь в развитии исследований, ориентированных на применение принципов биокатализа в химии и химической технологии, характеризуется постановкой самой широкой задачи – изучением и освоением всего каталитического опыта живой природы, в том числе и опыта формирования самого фермента, клетки и даже организма. Это такая ступень, на которой возникают основы эволюционной химии, как пролога к принципиально новой химической технологии, способной стать аналогом живых систем.

5.4 Предпосылки возникновения эволюционной химии

Первым практическим поводом к осознанию необходимости изучения химической эволюции явились исследования в области моделирования биокатализаторов. Представляя собой, искусственный отбор каталитических структур, изыскания в этой области не могут не ориентироваться на естественный отбор, который осуществляла природа на путях эволюции от неорганической материи к живым системам.

Вторым и главным поводом к развитию исследований в области эволюционной химии являются реально ощутимые успехи «нестационарной кинетики», или динамики химических систем.

В 1960-х годах были открыты случаи самосовершенствования катализаторов в ходе реакции, тогда как обычно катализаторы в процессе их работы дезактивировались, ухудшались и выбрасывались.

5.5 Понятия «организация» и «самоорганизация» и их познавательные функции в химии

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. В отличие от понятия «организация», «самоорганизация» отражает законы такого существования динамических систем, которое сопровождается их восхождением на все более высокие уровни сложности и системной упорядоченности.

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.

Отбор химических элементов – этого подвижного строительного материала эволюционирующих систем – выступает как красноречивый факт. Ныне известны 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%.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9