Энергия и упорядоченность биологических систем

Водородная связь играет важную роль в неорганической и органической химии. Ее универсальность связана с распространенностью в природе воды и соединений со связями 0 Н. Низкая энергия водородной связи, способность легко разрушаться и восстанавливаться при комнатной температуре вместе с ее огромной распространенностью обусловливает значение водородной связи в биологических системах. Упорядоченное расположение полипептидных цепей в структуре белка, поперечные связи в структуре целлюлозы и в двойной спирали дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) объясняются наличием водородной связи. Кроме того, доказано образование водородной связи на некоторых стадиях почти всех биохимических процессов. [c.103]

Внимательный анализ, однако, обнаруживает, что все биологические системы не являются замкнутыми для их жизнедеятельности необходим постоянный активный обмен энергией и веществом с окружающей средой. Принципиальную роль при этом играет то обстоятельство, что сама окружающая среда вовсе не находится в состоянии полного теплового равновесия — в ней сохраняются не-прекращающиеся потоки энергии и вещества Функционирование живого объекта основано на том, что он захватывает и пропускает через себя (модифицируя) часть таких потоков. Поскольку биологические объекты не являются замкнутыми, неудивительно, что для них неприменимы законы статистической физики, относящиеся к замкнутым системам. В действительности энтропия открытой системы может даже уменьшаться со временем благодаря уходу энтропии от системы в окружающую среду. Поэтому существование открытых систем с возрастающей степенью упорядоченности не [c.4]

Хотя в истинных растворах и при малых значениях энергии описанный выше обменный механизм переноса энергии обычно не играет особо важной роли, он может оказаться существенным в макромолекулах, мицеллах или любых гетерогенных системах с достаточно упорядоченной структурой. Так как подобные образования имеются во всех биологических системах, то простой обменный механизм переноса может приобрести в этом случае очень большое значение. [c.138]

Под твердым состоянием органических веществ мы будем понимать не только кристаллы, но также твердые стекла, полимеры и системы, в которых молекула закреплена (адсорбирована) на твердой подложке. Мы кратко упомянем и о биологических системах, в которых важную роль играют упорядоченные квазикристаллические множества молекул. Единой характеристикой, которая логически связывает эти различные системы, является то, что в каждом из перечисленных случаев движения молекул более или менее заторможены, тогда как в газовой фазе и в растворе молекулы движутся свободнее. Такое торможение приводит к важным различиям в поведении молекулы, особенно в отношении потери энергии возбужденными состояниями. Например, в случае молекул в твердых стеклообразных растворителях (таких, как ЭПА или борная кислота) фактически исключены все бимолекулярные реакции, т. е. реакции с примесями и тушителями (например, растворенным кислородом), а также столкновения между двумя молекулами растворенного вещества. Дезактивация долгоживущих возбужденных состояний при соударениях уменьшена в этих условиях настолько, что становится заметным излучательный переход в основное состояние— долгоживущее послесвечение или фосфоресценция. [c.66]

Из второго закона термодинамики следует, что система и ее окружение, будучи предоставлены самим себе, приближаются обычно к состоянию максимальной неупорядоченности (энтропии). Это значит, что высокоупорядоченные системы легко разрущаются, если на поддержание их упорядоченности не затрачивается энергия. Все биологические процессы подчиняются этим двум законам термодинамики и управляются ими. [c.373]

Николаев [16] обратил внимание, что в биологических системах доминирующую роль играет тот тип взаимодействий, который он назвал кодовым . Для взаимодействий такого типа важна не столько количественная характеристика воздействия (скажем, количество полученной энергии), сколько простран-ственно-временная упорядоченность воздействия (скажем, вид энергии, частота, точка воздействия). По мнению Николаева, связи организма со средой в основном кодовые, и именно кодовые связи способны вывести систему из сферы подчинения статистическим законам . [c.13]

В неравновесных динамических системах диссипативного типа устойчивость связана с существованием стационарных состояний если отклонение от равновесия невелико, то критерием устойчивости может служить производство энтропии, достигающее в стационарном состоянии минимального значения. Если система сильно отклонилась от равновесия, то трудно указать критерии устойчивости в отдельных случаях система способна вращаться вокруг стационарного состояния, периодически изменяясь. При этом могут возникать как временная, так и пространственная упорядоченности в исходно однородной системе. По мере усложнения диссипативных систем и перехода к предбиологическим и биологическим энергетические критерии устойчивости утрачивают свое значение в том смысле, что потоки энергии и массы все в большей степени контролируются кодовыми механизмами. [c.342]

Все живые организмы находятся под воздействием разных видов излучения. Эффекты, вызываемые облучением живых организмов, зависят от длины волны излучения и его дозы, т.е. от энергии и количества поглощенных квантов (рис. 35). Излучение в области длин волн от 300 до 1100 нм, приходящееся в основном на видимый свет, обеспечивает возможность осуществления упорядоченных реакций при поглощении его подходящими для этого системами. В организмах излучение в этом диапазоне индуцирует такие процессы, как фотосинтез, фототаксис, фотореактивацию ДНК, синтез некоторых макромолекул. Для излучений с длиной волны больше 1100 нм к настоящему времени не зарегистрировано каких-либо биологических эффектов. Основное действие ИК-излучения — ускорение движения молекул (нагревание). Действие коротковолнового излучения на организмы приводит к возникновению мутаций или вызывает смертельный (летальный) исход из-за необычайно высокой фотохимической активности этого вида излучения, приводящего к модификации или разрушению поглотивших его органических молекул. [c.130]

Для биологических систем существенна еще одна важная особенность изменений энтропии Согласно второму закону термодинамики, при химических реакциях или физических процессах энтропия Вселенной увеличивается. Из этого закона, однако, не следует, что возрастание энтропии должно происходить обязательно в самой реакционной системе оно может произойти в любом другом участке Вселенной. В живых организмах метаболические процессы, т. е. те превращения, которым подвергаются в них пищевые вещества, не ведут к возрастанию внутренней неупорядоченности, или энтропии самих организмов. Из повседневных наблюдений мы знаем, что любой организм, будь то муха или слон (т. е. в нашем понимании система ), при всех процессах жизнедеятельности сохраняет присущую ему сложную и упорядоченную структуру. В результате процессов жизнедеятельности возрастает энтропия не самих живых организмов, а окружающей среды. Живые организмы сохраняют внутреннюю упорядоченность, получая свободную энергию в виде пищевых веществ (или солнечного света) из окружающей среды и возвращая в нее такое же количество энергии в менее полезной форме, главным образом в форме тепла, которое рассеивается во всей остальной Вселенной. [c.408]

Обобществленные зоны энергии имеют место лишь в кристалле, т. е. в системе из упорядоченно расположенных и повторяющихся однотипных частей. Их существование возможно, нанример, в кристаллическом белке. Работой А. Т. Вартаняна было показано, что в кристаллах органических красителей, состоящих из однотипных молекулярных ионов красителей, действительно имеет место общая энергетическая зона электронной проводимости. Но поглощения света кристаллом еще недостаточно для перевода в эту зону электрона от молекулы красителя. Необходимо подведение дополнительной энергии тепловой активации, эквивалентное 10 ккал./моль, чтобы осуществить переход электрона в зону проводимости и миграцию в ней. Следовательно, даже в случае такой легко возбуждаемой системы требуются значительные кванты энергии, ориентировочно 50 ккал./моль, для того чтобы достичь зоны проводимости. Для биологических объектов, не обладающих поглощением в видимой области спектра, энергии, требующиеся для миграции электронов в виде тока проводимости, должны быть еще более значительными следовательно, такой процесс фактически неосуществим даже в кристаллическом белке. [c.349]

Дыхательная цепь — строго упорядоченная система окислительно-восстановительных ферментов и передатчиков на внутренних мембранах митохондрий, на которой заканчивается процесс биологического окисления веществ с участием кислорода. Энергия, выделяющаяся при окислении веществ, аккумулируется в молекулах АТФ или рассеивается в виде тепла. [c.489]

Хорошо известно, что энергия вторичных электронов в металле люжет легко и без повреждения материала диссипироваться в процессе движения электронов по зоне проводимости. Аналогичные явления возможны в полупроводниках и в фотопроводниках. Поскольку в биологических организмах значительные области занимают вещества с упорядоченной структурой—агрегаты кристаллических ферментов, уложенные в стопки пуриновые и пиримидиновые основания в нуклеиновых кислотах, правильно ориентированные белковые молекулы в хромосомах и т. д.,—можно предположить, что явления, связанные с периодической структурой, играют важную роль в процессе диссипации энергии в биологических системах . [c.209]

В химии на молекулярном уровне закон действующих масс определяет временный процесс самопроизвольного (при данных условиях) движения замкнутой системы к состоянию равновесия, характеризующегося минимумом свободной энергии и максимальным возрастанием энтропии. Биологические системы представляют собой открытые системы, и процесс образования организованных структур биомассы сопровождается снижением энтропии. Однако рассматривая рост популяции при кинетическом подходе, моделируют переход субстрата в биомассу в замкнутой системе (пробирке, колбе, культиваторе), обменивающейся с внешней средой только энергией. В этом случае общее изме-менение энтропии складывается из изменения энтропии биофазы и энтропии окружающей среды. Возрастание упорядоченности биомассы (Д5]<0) сопровождается снижением упорядоченности окружающей среды, откуда микроорганизмы черпают [c.97]

Мы рассмотрели также роль нейроэндокринной регуляции в создании упорядоченности, свойственной биологическим системам, в согласовании скорости, направления и пути протекания биохимических и физиологических процессов. При этом мы знакомились преимущественно с теми процессами, которые происходят в организме человека и- высших животных. Однако многие положения молекулярной эндокринологии, рассмотренные нами, вполне применимы и для низших животных, растений и даже микроорганизмов. Хорошо известно, например, что тироксин (Гй) и трийодтиропин (Г.з) вызывают метаморфоз у земноводных, стимулируя у них реакции образования энергии, увеличивая сеть мембран эндоплазматического ретикулума и количество ри- босом, т. е. на молекулярном уровне действуя точно так же, как и в организме млекопитающих (см. раздел 4.3). [c.254]

В предыдущей главе описаны кинетические законы, которым следуют химические реакции, причем весь процесс рассматривался только на молекулярном уровне. В то же время в реальных условиях эволюция химических систем привела к последовательному образованию множества сложных динамических структур, подготовивщих переход химической эволюции в биологическую. Поэтому проблема возникновения микро- и макроорганизаций в неравновесной системе, получающей от внешней среды вещества и энергию (например, развивающейся в изотермических условиях), исключительно важна. Возможно ли возникновение упорядоченности— временной и пространственной — в исходно однородной системе, в которой протекают химические реакции Трудность решения этой задачи обусловлена тем, что нет столь надежного признака устойчивости неравновесных систем, какими для равновесных является экстремум соответствующего термодинамического потенциала. Поэтому приходится прибегать к изучению кинетики процессов и в ней искать условия возникновения упорядоченности. В наиболее общей форме эта задача решена Тьюрингом (1952), показавшим, что в результате развития химической реакции при постоянной температуре и диффузионном перемешивании концентрации промежуточных продуктов реакции могут распределяться в пространстве неравномерно, образуя зоны различной концентрации. [c.325]

В 50-е годы XIX в. почти одновременно были открыты второе начало термодинамики и законы биологической эволюции. Суть термодинамики была с предельной четкостью выражена Клаузиусом Энергия мира постоянна. Энтропия мира стремится к максимуму . Основные законы биологической эволюции были сформулированы в знаменитой книге Дарвина О происхождении видов . В последующих исследованиях очень скоро стал ясен фундаментальный характер понятия эволюции для науки о жизни. Оказалось, что законы эволюции раскрываются как в процессе возникновения жизни, так и в развитии человеческого зародыша, становлении видов и экологических сообществ. Однако во второй половине XIX в. оставался по существу открытым вопрос о совместимости классической (универсальной ) термодинамики и представления о временной эволюции как о спонтанном образовании все более сложных структур. В самом деле, согласно принципам классической термодинамики энтропия всякой замкнутой системы возрастает со временем и достигает своего максимального значения, когда система приходит в состояние теплового равновесия, т. е., будучи предоставленной самой себе, система всегда стремится достичь состояния с минимальной степенью упорядоченности, допускаемой начальными условиями. Кажется, что это противоречит возможности непрекращающегося процесса струк-турообразования. [c.4]

Механизм, который может помочь в объяснении радиочувствительности, заключается в физико-химической передаче реакционной способности от молекул, первоначально затрагиваемых излучением, к некоторым чувствительным молекулам, деструкцию которых можно рассматривать как биологический первичный акт ( передача энергии или непрямое действие). Биологические материалы состоят преимущественно из воды, хотя в некоторых частях организмов содержание воды невелико. Поэтому основной начальный акт радиолиза должен заключаться в разложении воды на свободные радикалы. Эти радикалы будут реагировать с ближайшими органическими молекулами, превращая их в свободные радикалы. Вероятно, эти радикалы в свою очередь высоко реакционноспособны, и реакция должна продолжаться до тех пор, пока не образуются свободные радикалы, столь устойчивые, что они дальше не могут реагировать, или пока два свободных радикала не встретятся и не превратятся в стабильные молекулы путем димеризации или диспропорционирования. Реакции этого типа происходят в химических системах и уже обсуждались (см. например, стр. 77, 206 и 268). Подобная передача реакционной способности может осуществляться и другими путями. Например, в упорядоченной системе больших молекул должны существовать благоприятные условия не только для свободнорадикальных реакций, но также и для других типов передачи, включающих передачу положительного заряда, передачу электрона и передачу возбуждения, а действие излучения может легко концентрироваться на специфических веществах. Все эти типы передачи представляются чрезвычайно вероятными, и при нормальной жизни клетки подобные передачи, по-видимому, действительно происходят все время. Возможно, что влияние излучения на изменение некоторых видов активности клетки в процессе облуче-чения обусловлено таким механизмом. Однако не ясно, отличаются ли процессы передачи при действии излучения от нормальных процессов настолько, чтобы производить заметное устойчивое повреждение. [c.291]

Вопросам самоорганизации живых эволюционирующих систем посвящен ряд фундаментальных работ (Эйген, Шустер, 1982 Кеплен, Эссиг, 1986). Почти полвека развивается термодинамика неравновесных систем, основанная И. При-гожиным. Работами его школы определены условия возникновения упорядоченности и самоорганизации в открытых системах, обменивающихся веществом и энергией с окружающей средой. Изучение периодических реакций в химии привело этих исследователей к рассмотрению эволюции макромолекул (Эйген, Шустер, 1982). Им удалось проанализировать циклические процессы в явлениях катаболизма и создать математическую модель работы Ьас-оперона. Таким образом, был намечен путь анализа регуляторных процессов в биологически возбудимых средах, путь к установлению иерархии динамических структур на клеточном уровне (Кеплен, Эссиг, 1986). [c.10]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология