Эволюционная химия

Эволюционная химия как наука сформировалась в 50 – 60-х годах 20 века.

Эволюционная химия является предшественницей биологии и пытается понять и подойти к решению проблемы, как из неорганической материи возникает органическая, а вместе с ней и жизнь.

Проблема решается с двух сторон.

С одной стороны, рассматривается саморазвитие химических структур до молекул, которые способны воспроизводить сами себя.

С другой – изучаются химический состав и химические превращения, протекающие непосредственно в клетке растений и животных.

В эволюционной химии под самоорганизацией систем подразумевается восхождение их на более высокий уровень сложности.

Переход к простейшим формам жизни предполагает отбор химических элементов, необходимых для появления жизни и её функционирования.

Из известных в настоящее время 112 химических элементов большинство принимают участие в жизнедеятельности живых организмов.

Однако основу живых систем составляют только шесть элементов, которые называются органогенами – это углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор.

Их суммарная весовая доля в организме составляет 97,4 %.

За ними по степени важности следуют 12 элементов, которые участвуют в построении физиологически важных компонентов биосистем: Na, K, Ca, Mg, Fe, Si, Al, Cl, Cu, Co, Zn, Mn, на их долю в организмах приходится всего около 1,6 %.

Ещё 20 элементов (их доля составляет менее 1 %) участвуют в жизнедеятельности биосистем в зависимости от среды обитания и состава питания.

То есть к участию в живой материи природа отобрала ограниченный набор элементов.

В настоящее время науке известно около 8 миллионов химических соединений. Из них 96 % приходится на долю органических соединений, которые образованы на основе тех же 6 элементов. Из остальных 106 элементов природа создала всего лишь около 300 тыс. неорганических соединений.

Такая резкая диспропорция между органическими и неорганическими соединениями, а также отбор минимума органогенов не могут быть объяснены различной распространённостью химических элементов в космосе и на Земле.

На Земле наиболее распространены кислород, кремний, алюминий и железо, а углерод занимает лишь 16-е место (0,027 %). Суммарная доля важнейших органогенов (C, N, P, S) в поверхностных слоях Земли всего около 0,24 %.

Следовательно, геохимические условия не играют существенной роли в отборе химических элементов при формировании органических систем, а тем более биосистем.

По каким же признакам химическая эволюция отобрала малую часть элементов в число органогенов?

С химической точки зрения эти элементы должны соответствовать следующим требованиям:

1. способность образовывать достаточно прочные, энергоёмкие химические связи.

2. эти связи должны быть лабильными, то есть легко подвергающиеся разрыву (способные к образованию новых разнообразных связей).

Именно поэтому углерод и отобран из многих других элементов как органоген номер один.

Углерод оказался максимально способным к разнообразным химическим превращениям.

Атом углерода образует почти все типы химических связей, какие знает химия, с самыми разными значениями энергии связи.

–Он образует углерод–углеродные связи, строя таким путём длинные и стабильные углеродные скелеты молекул в виде цепей или колец.

–Он может в одном и том же соединении выполнять роль акцептора и донора,

– иметь различные степени окисления.

Соединение атомов углерода с элементами-органогенами и другими элементами в различных комбинациях обеспечивает миллионное разнообразие органических соединений, которое проявляется в размерах, форме молекул и их химических свойствах.

Из миллионов органических соединений для построения живых организмов были отобраны лишь несколько сотен. Так, из 100 известных аминокислот в состав белков входит только 20, всего четыре нуклеотида участвуют в построении ДНК и РНК, ответственных за наследственность и регуляцию белкового синтеза в любых живых организмах.

Сегодня ясно, что в ходе эволюции отбирались те структуры, которые способствовали повышению активности и селективности действия каталитических групп.

Функциональная деятельность живой клетки подобна деятельности небольшого заводика, который проводит многоплановый синтез в идеальных условиях – при низкой температуре, атмосферном давлении и в нейтральной среде.

В основе химических процессов клетки лежит биокатализ, который основан на способности различных природных веществ, участвующих в химических реакциях, управлять ими, замедляя или ускоряя их протекание. Подобные соединения называются ферментами.

Ферменты – самый многообразный и наиболее высокоспециализи-рованный класс белков, которые катализируют химические реакции в биологических системах.

Почти все химические реакции, протекающие в клетке с участием биомолекул, которые обеспечивают живой организм как материалом для построения тканей, так и энергией, необходимой для существования, катализируются ферментами.

Человек с давних времён в своём быту использовал ферментативные процессы в хлебопечении, в изготовлении вина, сыров, солении и т.д., не понимая сущности химических и биологических процессов этого.

Ферменты обладают целым рядом специфических свойств и характеристик. Наиболее важные из них следующие.

Размер. Относительная молекулярная масса ферментов имеет значения от 10⁵ до 10⁷ (от 12 тыс. до 1 млн.).

Селективность. Ферменты обладают высокой селективностью, и каждый из них способен катализировать только одну, одному ему специфичную реакцию.

Эффективность. Некоторые ферменты обладают высокой эффективностью даже в очень небольших количествах. Это объясняется тем, что молекулы ферментов в процессе своей каталитической активности непрерывно регенерируют. Типичная молекула фермента может регенерировать миллионы раз за минуту.

Например, фермент ренин, вырабатываемый слизистой оболочкой сычуга (отдела желудка жвачных животных). Ренин используется в сыроделии. Он способен вызывать коагуляцию (свёртывание) белков молока в количествах, в миллионы раз превышающих его собственную массу.

Зависимость от температуры. Ферменты обладают наибольшей эффективностью при температуре 36 – 38С. При повышении температуры выше 50 – 60С они разрушаются и становятся неактивными.

Отравление ферментов. Ферменты очень чувствительны к присутствию каталитических ядов.

Например, в процессе сбраживания (ферментации) сахаров в спирт происходит отравление этанолом ферментов, содержащихся в дрожжах, и если концентрация этанола превышает 15,5 %, ферментация прекращается. Поэтому с помощью одного лишь процесса ферментации обычно не удаётся получать вино или пиво с концентрацией этанола выше 15,5 %.

Механизм действия фермента можно представить в виде схемы:

F + S FS  F + P

Молекула субстрата (S) связывается с областью на поверхности фермента (F), которая называется активным центром, благодаря чему образуется промежуточный комплекс (FS). В субстрате происходит перераспределение электронной плотности и следует разрыв связи, что приводит к образованию нового продукта (P) и регенерации фермента.

Ферменты, как и катализаторы, снижают энергию активации исходных субстратов, однако отличаются от последних по принципу действия и механизму образования биополимеров, структура которых определяется только генетическим кодом.

Химия пока ещё не достигла вершин живой лаборатории, но упорно и усиленно к этому стремится. Освоение каталитического опыта живой клетки осуществляется в двух направлениях:

– с одной стороны, для технологических целей пытаются использовать непосредственно ферменты,

– с другой – пытаются моделировать биокатализаторы, то есть заменить фермент более простой молекулой.

Результаты таких исследований закладывают основу эволюционной химии и способны создать новые химические технологии – аналоги живых систем.

В 1969 году появилась общая теория химической эволюции и биогенеза, представленная в 1964 году профессором Московского университета А.П. Руденко как теория саморазвития элементарных открытых каталитических систем.

Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем, и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы.

Эта теория является в настоящее время основанием эволюционной концепции в химии. Одно из важнейших следствий этой теории – установление пределов химической эволюции и перехода от хемогенеза к биогенезу. То есть она позволяет определить рубеж перехода неживого в живое.

Эволюционная химия совместно с другими естественными науками постепенно подступает к расшифровке механизма предбиологической эволюции и зарождения живого, а вместе с тем – и к созданию новейших технологий на принципах, позаимствованных у живой природы.