Метаболизм эволюция

В результате фосфорилирования, сопряженного с переносом электронов при дыхании аэробных организмов, образуется намного больше АТР, чем при фосфорилировании на уровне субстрата при брожении поэтому неудивительно, что в процессе биохимической эволюции возник и в дальнейшем сохранился такой тип метаболизма, при котором водород от органического субстрата переносится на связанный кислород . При этом носителями кислорода могут быть нитрат, сульфат, карбонат или другие соединения они восстанавливаются водородом субстрата. Способность переносить электроны на эти соединения дает бактериям возможность окислять субстраты без участия молекулярного кислорода и таким образом извлекать больше энергии, чем это возможно при брожении. [c.304]

Остается, однако, фундаментальная и так и не решенная до сих пор проблема, касающаяся этих широко распространенных вторичных метаболитов. Попросту говоря, каковы их биологические функции В связи с этим некоторые исследователи полагают, что эти вещества являются отходами метаболизма, хотя многие из них токсичны для организма, который продуцирует их до тех пор, пока они не выбрасываются в окружающую среду (например, летучие монотерпены, образуемые многими растениями) или не превращаются в безвредные вещества в самом организме. Другие исследователи считают вторичные метаболиты и в особенности те, которые обнаруживаются в растениях, важными факторами совместной эволюции растений, животных и насекомых. Эта точка зрения заключается в том, что выборочное стремление некоторых животных и насекомых к опустошению фауны определяется качеством производимой растениями химической продукции. Это, в свою очередь, приводит к выработке растениями таких соединений, которые отталкивают животных и других травоядных и тем самым смягчают процесс истребления растений. В настоящий момент взгляды биологов по вопросу о том, какая из этих двух гипотез верна, четко разделяются, и первым шагом на пути к пониманию функции вторичных метаболитов в организме является выяснение их биологического происхождения. Химики-органики достигли существенного прогресса в этой области за последние два десятилетия, и в результате сейчас четко вырисовываются пути, по которым происходит биосинтез многих вторичных метаболитов. Эти исследования, обобщен-ные в конце тома 11 русского издания (в заключительных главах тома 5 английского издания) [c.15]

К антибиотикам относятся низкомолекулярные эффекторы изначально природного происхождения, способные подавлять рост живых клеток. Антибиотики, продуцируемые растительными объектами, называют фитонцидами. Вопрос о физиологических функциях антибиотиков, их месте в метаболизме и процессах эволюции окончательно не решен. Антибиотики возникли в борьбе за существование почвенных биоценозов, поэтому многие из них [c.61]

Эволюция эукариот. Эукариотические клетки, видимо, возникли лишь тогда, когда в атмосфере появился кислород. Все эукариоты, за очень малым исключением,-аэробные организмы. Прокариоты занимали много различных экологических ниш. Выработка разнообразных типов метаболизма у прокариот была, по-видимому, обусловлена простой структурой клетки, высокоразвитыми системами регуляции, быстрым ростом и наличием нескольких механизмов переноса генов. На пути дальнейшей эволюции прокариот стояли непреодолимые трудности, связанные прежде всего с малыми размерами генома, его гаплоидным состоянием и малой величиной клеток. Новая окружающая среда с аэробными условиями позволяла получать больше энергии, но для ее использования нужны были более крупные клетки, широкие возможности структурной дифференцировки и соответственно во много раз больший [c.521]

Все кратко охарактеризованные выше вещества участвуют в процессах жизнедеятельности различных организмов, выработанных в ходе биологической эволюции. Большие и малые биологические молекулы обеспечивают биосинтез, метаболизм и биоэнергетику. [c.52]

Но, как часто случается, жизнь сумела обойти это препятствие и даже обратила его в преимущество. Отходами жизнедеятельности первичных простейших организмов были такие соединения, как молочная кислота и этанол. Эти вещества намного менее энергоемки по сравнению с сахарами, но они способны высвобождать большое количество энергии, если полностью окисляются до СО2 и Н2О. В результате эволюции возникли живые организмы, способные фиксировать опасный кислород в виде Н2О и СО2, а взамен получать энергию сгорания того, что прежде было их отходами. Так появился аэробный метаболизм. [c.257]

Если попытаться выразить в наиболее сжатой форме роль комплексов металлов в процессах метаболизма, то можно сказать, что они активируют молекулы и организуют процесс. Под активацией по большей части надо понимать поляризацию (стабилизацию отрицательных зарядов), а организация означает строгое пространственное расположение молекул или ионов, участвующих в реакции. Следовательно, важнейшей функцией комплексов является усиление роли пространственных кодов на путях химической эволюции. [c.231]

Наиболее трудной проблемой теории эволюции, конечно, остается стадия, на которой возникли диссипативные динамические макроструктуры. Мы опишем в главных чертах биологически активные соединения, основные процессы метаболизма и завершим описание изложением особенностей структурной организации живых систем и роли кодовых отношений в их стабилизации. [c.345]

Таким образом, можно только предполагать, что механизмы нейтрализации молекулярного кислорода на различных этапах эволюции взаимодействия с ним клеток были неодинаковы. На каком-то этапе возникли ферментные реакции, катализирующие включение Оз в метаболизм прокариот. [c.344]

Рис. 17.5. Гипотетические этапы эволюции метаболизма у прокариот.

Сравнение существующих метаболических путей образования аминокислот с генетическим кодом показывает, что связанные метаболически между собой аминокислоты коррелируют также н в отношении их кодонов [10]. Это делает весьма привлекательной идею параллельной эволюции генетического кода и метаболизма а также указывает на наличие исторической иерархии аминокис лот. Более простые аминокислоты, как Gly, Ser, Ala, Asp и Glu считаются ранними в отличие от более сложных аминокислот, на пример Met, His и Asn. Однако последовательное появление амино кислот не отражено в существующих белковых структурах, по скольку аминокислотные остатки белков в известной мере заменяе мы поэтому корреляция с ранними периодами жизни в настоящее время вряд ли правомерна. [c.18]

Подавляющее большинство известных прокариот относится к эубактериям. Именно у них достаточно хорошо изучены основные этапы прогрессивной эволюции, связанные с совершенствованием энергетических процессов. Архебактерии представляют собой к настоящему времени разрозненные группы со специфическими типами энергетического метаболизма. Имеющегося материала явно недостаточно для создания каких-либо эволюционных построений внутри группы архебактерий. [c.205]

Постепенно утверждается представление, согласно которому в процессе эволюции может сохраняться и ненужный на первый взгляд генетический материал-даже в том случае, если в изученных до сих пор экспериментальных условиях он оказывается для организма балластом. Очевидно, природа более консервативна, чем это предполагалось на заре эры молекулярной биологии. В настоящее время антибиотики, а также другие вторичные метаболиты, прямую пользу которых для синтезирующих их клеток усмотреть трудно, причисляют, образно выражаясь, к стружкам обмена веществ или же к продуктам, возникшим на игровой площадке метаболизма. Этот пример ясно показывает, что изучение вторичного метаболизма бактерий, грибов и растений- одно из перспективных направлений в исследовании путей органической эволюции. I [c.338]

На протяжении не менее чем 80% всего периода органической эволюции Земля была населена исключительно микроорганизмами. Если ископаемые остатки микробов находят редко, то данные сравнительной физиологии и биохимии служат достаточной опорой для классификации прокариот по типу метаболизма. Однако при чтении раздела об эволюции организмов следует учитывать то, что в этой области еще много пробелов и домыслов. [c.501]

Современные представители типов метаболизма, возникших в процессе эволюции [c.520]

Эволюция живого мира в течение геологического времени приводит к расширению круга таксонов, к увеличению разнообразия форм и замене одних форм другими. Отмечаются и различия в биохимическом составе организмов, стоящих на различных ступенях генетической лестницы, несмотря на единство биохимического плана строения живых организмов. Органические компоненты живых веществ представлены главным образом белками, жирами, углеводами и построены из атомов углерода, водорода, кислорода, азота, серы, фосфора. Клетки живых организмов и растений используют эти элеме+iTbi в качестве источника химической энергии в ходе метаболизма. Распад химических веществ в клетках различных животных осуществляется по единому плану. Однако имеется и ряд различий в биохимическом составе организмов, обусловленных как эволюцией живого вещества в фанерозое, так и различием условий жизни в разных бассейнах в одно и то же геологическое время. [c.188]

Как известно, электрон является легчайшей и чрезвычайно активной частицей. Роль протона и атома водорода в эволюции химических систем, вероятно, еще более значительна. Протоны участвуют в синтезе ядер элементов, определяя (косвенно) все стадии жизни звезд, и в важнейших стадиях метаболизма в клетках их перенос от молекул органических соединений к кислороду лежит в основе энергетики организма. [c.145]

Опыт показывает, что осуществимость того или иного процесса может существенно зависеть как от временной последовательности воздействий (например, от частоты), так и от чисто пространственных отношений. В последнем случае особую роль играют свойства симметрии взаимодействующих систем и дискретность собственных значений оператора симметрии. Дискретность условий, разрешающих данный процесс и исключающих другие, является основой развития химических систем и отчетлво проявляется в механизмах метаболизма и биологической эволюции. [c.333]

Конструктивный метаболизм пропионовых бактерий претерпел дальнейшую эволюцию в сторону большей независимости от органических соединений внешней среды. Пропионовые бактерии характеризуются хорошо развитыми биосинтетическими способностями и могут расти на простой синтетической среде с аммонийным азотом в качестве единственного источника азота при добавлении к среде пантотеновой кислоты и биотина, а для некоторых видов и тиамина. У ряда пропионовых бактерий обнаружена способность к азотфиксации. [c.231]

При исследовании биоповреждений металлоконструкций имеются определенные методологические трудности. Во-первых, био-повреждения материалов микроорганизмами носят специфический характер. В отличие от других видов повреждений в них непосредственно участвуют живые организмы, т. е. приходится иметь дело с биологическими объектами и процессами. Ркследования осложняются из-за видового многообразия микроорганизмов и взаимного влияния их друг на друга как положительного, так и отрицательного (симбиоз, комменсализм, конкуренция, антагонизм и т. п.), а также вследствие сложных процессов, протекающих внутри самого микроорганизма (метаболизм, анаболизм, катаболизм). Кроме того, нестабильность некоторых полимерных материалов и влияние их на микроорганизмы еще более усложняет проблему. Материалы конструкций техники и сооружений, а также условия эксплуатации последних, в особенности температурные факторы, влияют на развитие микроорганизмов и вызывают их эволюцию. Выявлено, что отдельные полимеры ЛКП и некоторые вещества (амины, кетоны, окислы азота и пр.), а также пониженная температура (-Ь4...-Ьб °С), искусственная аэрация и другие факторы определяют видовой состав (отбор) и адаптацию наиболее жизнеспособных микроорганизмов. В процессе отбора и адаптации повышается их агрессивность в отношении материалов, на которых они образуют колонии. [c.47]

Таким образом, внешние геосферы и биота прошли длительный путь совместной эволюции, в результате которой сложился своеобразный природный "биосферный метаболизм", определяющий химический состав атмосферы, океанов и твердой поверхности нашей планеты. Этот "метаболизм" выступает в виде совокупности взаимосвязанных физических, химических и биологических процессов. Как и любому организму со сложным метаболизмом, биосфере Земли присущ внутренний гомеостазис в отсутствие значительных нарушений (вследствие действия космических, внутрипланетарных или антропогенных факторов) эти процессы определяют природные циклы элементов, сбалансированные во временном интервале менее 1000 лет по всем источникам и стокам. Ключевым звеном поддержания такого квазистационарного состояния является деятельность биоты. [c.75]

Слиянию генов могла принадлежать важная роль в процессе эволюции основных метаболических путей. Энергетический путь метаболизма каждого из перечисленных ниже ферментов определился, вероятно, в результате объединения копии изначального (ди)нук-леотидсвязывающего домена с одним или большим числом других доменов, отличных от первого фосфоглицераткиназа [235, 310, 311], дегидрогеназы, специфичные соответственно к глицеральдегид-3-фосфату, лактату, малату и алкоголю [91], и гликоген-фосфорилаза [236]. Как обсуждалось в разд. 5.4, (ди)нуклеотидсвязывающий домен представляет N-концевую часть первых четырех ферментов, тогда как в алкогольдегидрогеназе он расположен в С-концевой части, а в фосфорилазе — в середине цепи. Это указывает на то, что ограничения в пространственном расположении доменов не вызывали затруднений при их использовании в качестве составных блоков для построения самых сложных белков в процессе эволюции. [c.229]

Биохимия изучает химический состав веществ, содержащихся в живых организмах, их структуру, свойства, места локализации, пути образования и превращения. Основные задачи биохимии — исследования обмена веществ (метаболизма) и регуляции энергетических процессов в клетке (биоэнергетика), изучение природы действия ферментов (энзимологня), анализ биохимических закономерностей Б ходе эволюции живых организмов. [c.35]

Все белки построены из 20 типов аминокислотных остатков ряд аминокислот, не фигурирующих в белках, участвует в метаболизме. По-видимому, аминокислоты возникали на Земле на первом зтане химичёской эволюции около 4 -10 лет назад, в результате химических реакций в архаической восстановительной атмосфере и в океане при поглощении энергии (гл. 17). Простейшие аминокислоты встречаются и в метеоритах. [c.25]

Для реализации биосинтеза и метаболизма необходима энергия, запасаемая в клетках в химической форме, главным образом в экзергонических третьей и второй фосфатной связи АТФ. Соответственно метаболические биоэнергетические процессы имеют своим результатом зарядку аккумулятора — синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Это происходит в процессах дыхания и фотосинтеза. Современные организмы несут память об эволюции, начавшейся около 3,5 10 лет назад. Имеются веские основания считать, что жизнь на Земле возникла в отсутствие свободного кислорода (см. 17.2). Метаболические процессы, протекающие при участии кислорода (прежде всего окислительное фосфорилирование при дыхании), относительно немногочисленны и эволюционно являются более поздними, чем анаэробные процессы. В отсутствие кислорода невозможно полное сгорание (окисление) органических молекул пищевых веществ. Тем не менее, как это показывают свойства ныне существующих анаэробных клеток, и в них необходимая для жизни энергия получается в ходе окислительно-восстановительных процессов. В аэробных системах конечным акцептором (т. е. окислителем) водорода служит Ог, в анаэробных — другие вещества. Окисление без Oj реализуется в двух путях брожения — в гликолизе и в спиртовом брожении. Гликолиз состоит в многостадийном расщеплении гексоз (например, глюкозы) вплоть до двух молекул пирувата (пировиноградной кислоты), содержащих по три атома углерода. На этом, пути две молекулы НАД восстанавливаются до НАД.Н и две молекулы АДФ фосфоршгируются— получаются две молекулы АТФ. Вследствие обратной реакции [c.52]

Некоторые анаэробные прокариоты, относящиеся к эу- и ар-хебактериям, — хемоавтотрофы. Фиксация СО2 у них происходит по ацетил-КоА-пути, не замкнутому в цикл (см. рис. 62). Образующийся ацетил-КоА служит акцептором третьей молекулы СО2, что приводит к синтезу пировиноградной кислоты (см. табл. 24). Возможно, этот путь фиксации СО2 — первая примитивная форма автотрофии. Кажется вполне вероятным, что дальнейшие поиски путей автотрофного метаболизма проходили параллельно с формированием аппарата для использования энергии света, поскольку на первом этапе эволюции энергетические и конструктивные процессы зависели от одних и тех же источников и, сле- [c.292]

Вариантом бинарного деления является почкование, которое можно рассматривать как неравновеликое бинарное деление. При почковании на одном из полюсов материнской клетки образуется маленький вырост (почка), увеличивающийся в процессе роста. Постепенно почка достигает размеров материнской клетки, после чего отделяется от последней. Клеточная стенка почки полностью синтезируется заново (рис. 20, В). В процессе почкования симметрия наблюдается в отнощении только продольной оси. При равновеликом бинарном делении материнская клетка, делясь, дает начало двум дочерним клеткам и сама, таким образом, исчезает. При почковании материнская клетка дает начало дочерней клетке, и между ними можно в большинстве случаев обнаружить морфологические и физиологические различия есть старая материнская клетка и новая дочерняя. В этом случае можно наблюдать процесс старения. Так, для некоторых штаммов Ккос1откгоЫит показано, что материнская клетка способна отпочковывать не более 4 дочерних клеток. Дочерние клетки лучше приспосабливаются к меняющимся условиям. Почкование обнаружено в разных фуппах прокариот среди фото- и хемотрофов, осуществляющих авто- и гетеротрофный конструктивный метаболизм. Вероятно, оно в процессе эволюции возникало несколько раз. [c.60]

Молекула АТФ обладает определенными свойствами, которые и привели к тому, что в процессе эволюции ей была отведена столь важная роль в энергетическом метаболизме клеток. Термодинамически молекула АТФ нестабильна, что вытекает из большой отрицательной величины ДСее гидролиза. В то же время скорость неферментативного гидролиза АТФ в нормальных условиях очень мала, т.е. химически молекула АТФ высокостабильна. Последнее свойство обеспечивает эффективное сохранение энергии в молекуле АТФ, поскольку химическая стабильность молекулы препятствует тому, чтобы запасенная в ней энергия бесполезно рассеивалась в виде тепла. Малые размеры молекулы АТФ позволяют ей легко диффундировать в различные участки клетки, где необходим подвод энергии извне для выполнения химической, осмотической, механической работы. [c.99]

Долгое время не было ясно, каков механизм модификацион-ных изменений, могут ли они наследоваться и какова их роль в эволюции организмов. В настоящее время показано, что модификация — изменение, происходящее на уровне фенотипа и не затрагивающее клеточный генотип. Все признаки клетки определяются ее генотипом, но в определенных условиях она пользуется не всей заложенной в ней генетической информацией, количество которой гораздо больше, чем необходимо клетке для существования в конкретных условиях. Реакция клетки на изменение внешних условий приводит к проявлению каких-то новых признаков, свойств, которые не обнаруживались в исходной культуре. Однако информация, необходимая для проявления этих признаков, обязательно содержится в клеточном геноме. Модификация есть результат пластичности клеточного метаболизма, приводящего к фенотипическому проявлению молчащих генов в конкретных условиях. Таким образом, модификационные изменения имеют место в рамках неизменного клеточного генотипа. [c.146]

Традиционно химию природных соединений связывают с медицинским применением биологически активных веществ. И действительно, велика роль этой науки в создании сегодняшнего лекарственного арсенала. Также весом вклад ее в построение теоретического фундамента знаний о физиологически активных веществах и принципах их действия. Об этом и вообще о значении химии природных соединений для понимания проблем возникновения и функционирования жизни на Земле говорилось в самом начале, во введении. В заключение хотелось бы еще раз обратить внимание на тот факт, что изучение природных соединений заложило фундамент относительно новой отрасли науки — химической экологии. Во многих разделах данной книги можно найти примеры того, как живые организмы на всех уровнях эволюции вступают в такие взаимоотношения между собой, которые опосредуются прямым воздействием производимых ими вторичных метаболитов. Собственно говоря, становится все очевиднее, что основной смысл вторичного метаболизма заключается именно в том, чтобы создать невидимую глазу химическую среду обитания для живых существ планеты. Сегодня уже ясно, что без знания структуры и функций природных веществ невозможно разработать основы популяционной биологии, создать экологически щадящие системы сохранения урожая и вообще природопользования. Чтобы пояснить это, можно еще раз акцентировать внимание, например, на природных инсектицидах и фунгицидах избирательного действия, которые, во-первых, токсичны только для ограниченного круга вредителей и патогенов, и, во-вторых, быстро утилизируются прир0дньп 1и экосистемами. Применение таких средств вносит минимальные нарушения в экологическое равновесие и дает шанс на ослабление конфликта человека с природой в области сельскохозяйственного производства, лесопользования и т.п. [c.630]

Прохлорофиты привлекают к себе большое внимание в связи с проблемами эволюции фотосинтетического аппарата и возникновения фотосинтезирующих эукариот. Сравнение прохлорофит с цианобактериями и хлоропластами зеленых водорослей и высших растений обнаруживает черты сходства как с фотосинтетически-ми органеллами эукариот (организация тилакоидов, состав хлорофиллов), так и с цианобактериями (клеточное строение, состав каротиноидов, липидов, некоторые особенности метаболизма, последовательность оснований 165 рРНК). Для ответа на вопрос, в каком отношении прохлорофиты находятся с цианобактериями (развивались ли независимо и параллельно с цианобактериями, возникли ли из их предшественников, потерявших способность синтезировать фикобилипротеины, или, наоборот, цианобактерии возникли из прохлорофит), необходимо дальнейшее сравнительное изучение обеих групп эубактерий с фотосинтезом [c.323]

Основной чертой многоклеточного организма является распределение функций между различными типами клеток. В ходе эволюции это распределение становилось все более и более существенным, пока не достигло наивысшего уровня у млекопитающих, включая человека. Высокоспецпализированные клетки многоклеточных организмов формируют различные ткани, которые, в свою очередь, образуют всевозможные органы. В тканях клетки находятся в контакте со сложной сетью межклеточных полимеров, в первую очередь специальных белков и полисахаридов, образуя внеклеточный лгатрикс. Б ряде случаев клетки соприкасаются непосредственно друг с другом. В многоклеточных организмах как процессы воспроизводства, так и метаболизм, включая производство энергии, протекают несравнимо сложнее, чем в одноклеточных. [c.26]

Появился и ультравысокомолекулярный полиэтилен. Уже есть универсальные установки, которые могут выпускать полиэтилены с самой разной структурой. Будущее готовит нам новые сюрпризы, и все большее значение в нашей жизни будут иметь полимеры. Биохимия изучает химический состав веществ, содержащихся в живых организмах, их структуру, свойства, места локализации, пути образования и превращения. Основные задачи биохимии — исследования обмена веществ (метаболизма) и регуляции энергетических процессов в клетке (биоэнергетика), изучение природы действия ферментов (энзимология), анализ биохимических закономерностей в ходе эволюции живых организмов. [c.35]

Интерпретация химических взаимодействий между растениями с точки зрения биохимической эволюции ставит ряд трудных вопросов. Если в отдельных случаях алле-лохимический эффект дает вызывающему его растению явное адаптивное преимущество по сравнению с подавляемым им видом, то во многих других случаях наблюдаемый эффект, по-видимому, обязан произвольному стечению обстоятельств, столкнувших два несовместимых вида. Все происходит так, как будто бы выбрасываемый в окружающую среду конечный продукт метаболизма, сравнимый в таких случаях с отбросами-депрессорами, оказывает губительное действие лишь на какие-то определенные виды растений, тогда как другие виды к нему нечувствительны. Иногда этот продукт метаболизма вреден для самого производящего его растения, иногда нет. Эволюция популяций у растений, должно быть, основывается на сложных химических взаимодействиях, которые приводят к равновесиям. При этом создается впечатление, что взаимоотношения между растениями следуют какой-то определенной логике. [c.30]

Химическое оружие действует как средство нападения в тех случаях, когда животное имеет усовершенствованный эволюцией орган для нанесения, разбрызгивания или впрыскивания яда. Агрессивное поведение — явление редкое в природе (исключение представляет человек), и у большинства животных нападение — это лишь защитная реакция. Имеющееся оружие используется также для добывания пищи. Если же токсичные вещества находятся в самом организме-продуценте или если эти вещества, вырабатываемые специализированным органом, не выводятся из организма, то оборонительный характер такого оружия проявляется только в случае нападения на организм-продуцент. Отравление агрессора выглядит тогда, как несчастный случай, вызванный столкновением двух несовместимых типов метаболизма. Утверждать, что эволюция последовательно совершенствовала такие средства химической защиты для сохранения видов, было бы очевидным проявлением витализма. В лучшем случае можно предположить, что из всего множества возможных способов адаптации до наших дней сохранились лишь те, которые обеспечивали их владельцам наилучшие шансы на выживание. Горькие или ядовитые растения служат прибежищем для тех насекомых которые способны использовать их как пищу. Другим приемом оборонительной тактики, о времени появления которого в ходе эволюции судить очень трудно, является сочетание предупреждающей окраски со средствами химической за-пщты. То, что мы наблюдаем сегодня,— это, по-видимому, следствие огромного числа конфликтов и нескольких абсолютных необходимостей. [c.36]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология