Сравнительная, эволюционная и радиационная биохимия Работу выполнил: студент группы БМ-1 Данилов Юрий
Сравнительная биохимия – раздел биохимии, посвященный сопоставлению химизма различных организмов как с целью выяснения степени их сродства, так и для уточнения систематики. По мере разработки более точных методов биохимического анализа эта область исследований стала источником новых данных в пользу эволюционной теории. Наличие одинаковых веществ у всех организмов указывает на возможную биохимическую гомологию, подобную морфологической гомологии на уровне органов и тканей. Большая часть сравнительно-биохимических исследований касалась первичной структуры широко распространенных белков, таких как цитохром и гемоглобин, а позднее — нуклеиновых кислот, в особенности РНК. Незначительные изменения в генетическом коде ДНК, связанные с генными мутациями, приводят к тонким изменениям в общей структуре соответствующих белков или РНК.
Например, при изучении глобинов — гемоглобина и миоглобина, была получена степень сходства между молекулами гемоглобина у четырех видов приматов: человека, шимпанзе, гориллы и гиббона. Иммунологические исследования тоже свидетельствуют об эволюционном родстве между организмами. Также, например, зоологи не могли систематизировать мечехвоста. Когда к сыворотке против антигенов мечехвоста добавляли антигены различных членистоногих, образование наибольшего количества преципитата вызывали антигены паукообразных.
Эволюционная биохимия Эволюционная химия — четвертая концептуальная система химии, связанная с включением в химическую науку принципа историзма и понятия времени, с построением теории химической эволюции материи. Эволюционная химия изучает процессы самоорганизации вещества: от атомов и простейших молекул до живых организмов.
Химическая эволюция или пребиотическая эволюция — первый этап эволюции жизни, в ходе которого органические, пребиотические вещества возникли из неорганических молекул под влиянием внешних энергетических и селекционных факторов и в силу развертывания процессов самоорганизации, свойственных всем относительно сложным системам, которыми бесспорно являются все углерод-содержащие молекулы.
Одним из первых открытий, которые относят к эволюционной химии, является эффект самосовершенствования катализаторов в реакциях, исследованных американскими химиками А. Гуотми и Р. Каннингем в 1958— 1960 гг. В 1964— 1969 гг. советский химик А. П. Руденко, учитывая это открытие, создал теорию саморазвития открытых каталитических систем. В работах немецкого химика М. Эйген была развита теория гиперциклов, объясняющая объединение самовоспроизводящихся макромолекул в замкнутые автокаталитические химические циклы.
Всё, что известно о химизме вещества, позволяет ограничить проблему химической эволюции рамками так называемого «водно-углеродного шовинизма» , постулирующего, что жизнь в нашей Вселенной представлена в единственно возможном варианте: в качестве «способа существования белковых тел» , осуществимого благодаря уникальному сочетанию полимеризационных свойств углерода и деполяризующих свойств жидко-фазной водной среды, как совместно необходимых и/или достаточных условий для возникновения и развития всех известных нам форм жизни. При этом подразумевается, что, по крайней мере, в пределах одной сформировавшейся биосферы может существовать только один, общий для всех живых существ данной биоты код наследственности, но пока остается открытым вопрос, существуют ли иные биосферы вне Земли и возможны ли иные варианты генетического аппарата.
Также неизвестно, когда и где началась химическая эволюция. Возможны любые сроки по окончании второго цикла звёздообразования, наступившего после конденсации продуктов взрывов первичных сверхновых звезд, поставляющих в межзвездное пространство тяжелые элементы (с атомной массой более 26). Второе поколение звёзд, уже с планетными системами, обогащенными тяжёлыми элементами, которые необходимы для реализации химической эволюции появилось через 0, 5 -1, 2 млрд лет после Большого взрыва. При выполнении некоторых вполне вероятных условий, для запуска химической эволюции может быть пригодна практически любая среда: глубины океанов, недра планет, их поверхности, протопланетные образования и даже облака межзвёздного газа, что подтверждается повсеместным обнаружением в космосе методами астрофизики многих видов органических веществ — альдегидов, спиртов, сахаров и даже аминокислоты глицина, которые вместе могут служить исходным материалом для химической эволюции, имеющей своим конечным результатом возникновение жизни.
Исследование химической эволюции осложняется тем, что в настоящее время знания о геохимических условиях древней Земли не являются достаточно полными. В настоящее время абиогенез является наиболее аргументированной гипотезой. В широком смысле абиогенез — возникновение живого из неживого, то есть исходная гипотеза современной теории происхождения жизни. В 20 -х годах XX века академик Опарин предположил, что в растворах высокомолекулярных соединений могут самопроизвольно образовываться зоны повышенной концентрации, которые относительно отделены от внешней среды и могут поддерживать обмен с ней. Он назвал их коацерватные капли, или просто коацерваты.
В 1953 году Стэнли Миллером экспериментально осуществлён абиогенный синтез аминокислот и других органических веществ в условиях, воспроизводящих условия первобытной Земли. В 2008 году американские биологи сделали важный шаг к пониманию начальных этапов зарождения жизни. Им удалось создать «протоклетку» с оболочкой из простых липидов и жирных кислот, способную втягивать из окружающей среды активированные нуклеотиды — «кирпичики» , необходимые для синтеза ДНК. В 2011 году японские ученые сообщили, что им удалось создать синтетическую клетку с оболочкой и элементами ДНК внутри, способную к размножению при нагревании "первичного бульона" до 94 градусов по Цельсию.
Все гипотезы исходят из того, что помимо воды и фосфатов на начальных этапах истории Земли в атмосфере и гидросфере в достаточном количестве имелись только восстановленные формы, отличающиеся от обычных в современный период химических соединений, так как древняя атмосфера не содержала молекулярного кислорода. В качестве источника энергии, инициирующей синтез, в это время могли выступать ультрафиолетовое излучение Солнца, тепло вулканических процессов, ионизирующие излучения радиоактивного распада и электрические разряды. Существуют также теории, в рамках которых источником необходимой для возникновения биомолекул энергии могут служить окислительновосстановительные процессы между вулканическими газами (восстановитель) и частично окисляющими сульфидными минералами, например пиритом (Fe. S 2).
Следы вулканической активности: отложения серы на краях Halema’u-кратера вулкана Мауна Лоа на Гаваях В течение первых нескольких миллионов лет после возникновения солнечной системы постоянно повторялись столкновения с небесными телами, вызванные ими коллизии уничтожали глобальными стерилизациями образованные в это время живые системы. Поэтому появление жизни смогло начаться только после накопления воды за длительное время хотя бы в самых глубоких впадинах.
С медленным остыванием земли, вулканической деятельностью (выделение газов из недр земли) и глобальным распределением материалов упавших комет возникла вторая атмосфера земли. Прежде всего из воды, метана и аммиака в условиях молодой земли могли образоваться небольшие органические молекулы (кислоты, спирты, аминокислоты), позднее также органические полимеры (полисахариды, жиры, полипептиды), которые были бы нестабильны в кислотной атмосфере. После охлаждения атмосферы ниже температуры кипения воды наступил очень длительный период выпадения дождей, которые и образовали океаны. Инертный и малорастворимый азот N 2 накапливался со временем и образовывал около 3, 4 миллиардов лет назад основную составляющую атмосферы.
Около двух миллиардов лет назад свободный кислород стал накапливаться. Очень реакционноспособный кислород легко окисляет восприимчивые органические биомолекулы и становится таким образом фактором отбора окружающей среды для ранних организмов. Только немногие анаэробные организмы смогли переместиться в свободные от кислорода экологические ниши. В некоторых микроорганизмах из подобных энзимов развились комплексные мембранные энзимы — конечные оксидазы, которые метаболически использовали присутствующий кислород для накопления энергии необходимой для роста собственной клетки — конечная стадия окисления в аэробной цепи дыхания. Миллиард лет назад содержание кислорода в атмосфере перешагнуло планку одного процента и спустя несколько миллионов лет был образован озоновый слой.
Для синтеза сложных молекул и соблюдения граничных условий автокаталитических реакций между ними (что обеспечивает принципиальную возможность перехода от химической эволюции к эволюции живого вещества), важны следующие характеристики воды: Вода находится в жидком состоянии при температуре, в которой стабильны органические молекулы и их синтез возможен только в водных растворах. Вода необходима как деполяризующий растворитель для химических реакций, так как она делает возможным гомогенное перемешивание, а имея высокую теплоёмкость, принимает выделяющуюся при реакциях теплоту и предоставляет в распоряжение протоны для катализов.
Иной сценарий был с начала 1980 -х годов разработан Гюнтером Вехтерхойзером. По этой теории жизнь на земле возникла на поверхности железно-серных минералов, которые и сегодня образуются посредством геологических процессов, а на молодой земле должны были встречаться гораздо чаще. Большое преимущество этого концепта перед предшественниками в том, что впервые образование комплексных биомолекул связано с постоянным надежным источником энергии. Энергия выделяется при восстановлении частично окисленных железно-серных минералов, например пирита (Fe. S 2), водородом (уравнение реакции: Fe. S 2 + H 2 → Fe. S + H 2 S).
Радиационная биохимия Радиационная химия – это раздел физической химии; изучает процессы, которые происходят в веществе вследствие поглощения энергии ионизирующих излучений. В этих процессах участвуют частицы, энергия возбуждения или кинетическая энергия которых существенно превышает тепловую энергию, а во многих случаях и энергию химической связи, поэтому радиационная химия является составной частью химии высоких энергий. Термин "радиационная химия" введен М. Бэртоном в 1945. Радиационная химия возникла после открытия Х-лучей В. Рентгеном в 1895 году и радиоактивности А. Ньепсом в 1857 -61 гг. (переоткрыта А. Беккерелем в 1896 г. ), которые первыми наблюдали радиационные эффекты в фотопластинках.
Радиационная биохимия – прикладная наука. Интенсивное развитие радиационной химии началось с 40 -х гг. 20 в. в связи с работами по использованию атомной энергии. Создание ядерных реакторов и их эксплуатация, переработка и выделение продуктов деления ядерного горючего потребовали изучения действия ионизирующих излучений на материалы, выяснения природы и механизма химических превращений в технологических смесях, обладающих высокой радиоактивностью. При разработке этих проблем радиационной химии тесно взаимодействует с радиохимией и радиационной медициной.
В ходе решения прикладных задач были накоплены обширные экспериментальные данные относительно радиационной стойкости веществ, установлены многие количественные закономерности радиационно-химических реакций. Был предложен механизм радиолиза воды, заложены физико-химические основы действия радиозащитных средств. Одновременно начались работы по использованию радиационных воздействий для полимеризации, модификации полимерных материалов, вулканизации, инициирования химических процессов синтеза и т. д. , положившие начало радиационно-химической технологии.
Радиевый институт им. В. Г. Хлопина Основные направления дальнейшего развития самой радиационной химии - изучение радиолиза газообразных систем при высоких температурах, радиолиза воды и водных растворов при сверхкритических температурах, природы радиационно-химических процессов в гетерогенных системах, влияния кристаллических дефектов и примесей на радиолиз твердых тел. Актуальные проблемы перед радиационной химией выдвигают радиационно-химическая технология, промышленная радиохимия и ядерная энергетика.
В последующие годы наибольшее число исследований было посвящено радиолизу воды и водных растворов, что обусловлено интересом к биологическим эффектам радиации. Мощный стимул радиационная химия получила в связи с развитием и производством ядерного оружия. В промышленном отношении наиболее значимыми оказались процессы радиационного сшивания полимеров, которые приводят к повышению термостойкости, механической прочности и улучшению других свойств полимерных материалов. Широкое распространение получила технология радиационного отверждения полимеризующихся композиций в тонких слоях на различных поверхностях (дерево, металл, бумага) при облучении ускоренными электронами.
Благодарю за внимание!
Скачать презентацию Сравнительная эволюционная и радиационная биохимия Работу выполнил студент
Сравнительная, эволюционная и радиационная биохимия.ppt