Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова
Физический факультет, кафедра биофизики

ЛЕКЦИИ

ПО БИОФИЗИКЕ

Учебное пособие для студентов младших курсов
физического факультета МГУ

Составитель и научный редактор

В.А.Твердислов

МОСКВА

Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова
2023
УДК 577.3

Лекции по биофизике / Под ред. В.А. Твердислова - Москва, Физический
факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 2023. - 308 с.

ISBN 978-5-8279-0252-2

Издание посвящено 90-летнему юбилею физического факультета
Московского университета.

Учебное пособие «Лекции по биофизике» основано на материалах лекций и
семинаров курса «Биофизика», читаемого в течение многих лет студентам младших
курсов физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, не имеющим на
момент изучения курса специальных знаний в области биологии и химии. Курс
содержит базовые сведения из области классической и современной биологии, в
нём рассмотрены отличительные особенности живой и неживой материи,
физические основы строения и функционирования живых систем от
субмолекулярного и клеточного до биосферного уровня, механизмы основных
биологических процессов, биофизические аспекты происхождения живых систем и
эволюции биосферы. Особое внимание уделено новым подходам в области
системной биофизики, связанным с представлениями о синергетических аспектах
организации и функционирования живых систем, рассмотрению механизмов
пространственно-временной самоорганизации в активных средах, а также
фундаментальных проблем симметрии-асимметрии в неживой и живой природе.
Пособие может быть полезным студентам старших курсов, а также аспирантам и
сотрудникам, заинтересованным в освоении основ биофизики, медицинской и
радиационной физики.

Составитель и научный редактор В.А. Твердислов

Печатается по плану издательской деятельности, утвержденному решением
Ученого совета физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова

Рецензенты:

Доктор химических наук, профессор факультета биоинженерии и биоин-
форматики П.В. Вржещ

Доктор биологических наук, профессор кафедры биохимии биологического
факультета МГУ О.Д. Лопина

Подписано к печати 2.05.2023 г.

Формат А5. Объем 18,75 п.л. Заказ №

Отпечатано в отделе оперативной печати
физического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова

ISBN 978-5-8279-0252-2

© Физический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 2023 г.

© Твердислов В.А., 2023
ОГЛАВЛЕНИЕ

1.	Предисловие..............................................................4

2.	Введение. О биофизике. В.А. Твердислов..................................6

3.	Вехи истории. О творцах нашей науки. В.А. Твердислов,
А.Э. Сидорова..............................................................18

4.	От атомов к молекулам и биологическим структурам. В.И. Лобышев..
	36

5.	О клетках и биологической классификации. Л.Л. Меныиенина......... 52

6.	Клетка. Структура и функции. Е.Ю. Симоненко............................69

7.	Идеи системности и самоорганизации в биофизике. Диссипативные
системы, активные среды. Симметрии и преобразование энергии.

В.А. Твердислов, А.Э. Сидорова.............................................91

8.	Хиральные иерархии и молекулярные машины. Сопряженное
нарушение симметрии и преобразование формы энергии — физическая
основа совершения «полезной работы» биологическими

молекулярными машинами. В.А. Твердислов...................................116

9.	Роль воды в живых организмах. В.И. Лобышев................................. 126

10.	Уровни организации белков: от аминокислот к надмолекулярным
структурам. Е.В. Белова...................................................145

11.	Структура и функции нуклеиновых кислот. Д.Ю. Нечипуренко..... 161

12.	Клеточные мембраны, гомеостаз, возбудимость. Л.В. Яковенко.... 175

13.	Биофизика клеточного скелета. Н.Б. Гудимчук..........................200

14.	Биомеханика. А.В. Беляев.............................................212

15.	Фотосинтез. А.Н. Тихонов................................................................... 225

16.	Биофизические основы нанобиотехнологий, биоинженерия.

Г.Б. Хомутов..............................................................237

17.	Физико-химические предпосылки возникновения
предшественников живой клетки. В.А. Твердислов, Л.В. Яковенко.............259

18.	Эволюция геобиосферы и основы эволюции биологических

систем. А.Э. Сидорова............................................................................... 285

19.	Заключение. В.А. Твердислов..........................................300
1. Предисловие

Для физика вопрос простой:
«Как с древа яблоко упало?».

Для биофизика — иной:

«А как оно туда попало?»

Борис Режабек

Учебное пособие «Лекции по биофизике» основано на материалах
лекций и семинаров курса «Биофизика», читаемого студентам первого курса
физического факультета, не имеющим на момент изучения курса
специальных знаний в области физики, биологии, химии и математики. По
этой причине курс ориентирован именно на соответствующий уровень
исходной подготовки обучающихся. Курс содержит базовые сведения из
области классической и современной биологии, в нём рассмотрены
отличительные особенности живой и неживой материи, физические основы
строения и функционирования живых систем от субмолекулярного и
клеточного до биосферного уровня, механизмы основных биологических
процессов, биофизические аспекты происхождения живых систем и
эволюции биосферы. Особое внимание уделено новым подходам в области
системной биофизики, связанным с представлениями о синергетических
аспектах организации и функционирования живых систем, рассмотрению
механизмов пространственно-временной самоорганизации в активных средах,
а также фундаментальных проблем симметрии-асимметрии в неживой и
живой природе. Обсуждаются вопросы формирования иерархических
структур, молекулярных и макроскопических биологических машин,
ответственных за устойчивое функционирование и эволюцию живых систем.
Студенты познакомятся с основными типами макромолекул (белков, нукле-
иновых кислот, углеводов, липидов), составляющих основу всего живого, их
свойствами и функциями; ролью в строении и жизнедеятельности клетки.
Важной частью лекционного курса является изучение физических принципов,
лежащих в основе строения, функций и регуляции основных биохимических
процессов, метаболических путей в отдельных клетках и клеточных ан-
самблях, ознакомление с методами исследования биологических систем.
Рассмотрены структура и функции специализированных клеток и органелл,
механизмы мембранного транспорта, возбудимости, биологической подвиж-
ности и биомеханики. Кратко рассмотрены базовые элементы медицинской
биофизики, биофизической экологии, биоинженерии, математического моде-
лирования.
Основные материалы лекций изложены в соответствующих разделах
настоящего издания. Авторы глав — сотрудники кафедры биофизики физии-
ческого факультета, участвующие в чтении лекций и проведении семинаров.
По приведенной ссылке выложена полная презентация лекций В.А. Тверди-
слова: http^/biophys^phys. msu. ip/images/MFK-Bwphys/LectippybIOPHYSLС±у
VATyerdjsJpy220222Comp^pd£

Составитель и научный редактор издания — профессор В.А. Твер-
дислов.

В качестве основной литературы, расширяющей фундаментальные
представления о биофизике, могут быть рекомендованы следующие издания:

1.	Б. Албертс, Д. Брей, Дж. Льюис, М. Рэфф. Молекулярная биология клетки,
в 4-х томах, "Мир", М., 1994.

2.	В.А. Твердислов, А.Э. Сидорова, Л.В. Яковенко. Биофизическая экология
УРСС, 2012.

3.	Т. Уэй. Физические основы молекулярной биологии: Учебное пособие /
под ред. Л.В. Яковенко. Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект»,
2010.

4.	Клетки / под ред. Б.Льюина и др. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011.

5.	А.Б. Рубин. Биофизика в 3-х томах, М.-Ижевск: Институт компьютерных
исследований. 2013.

6.	И. Пригожин, Д. Кондепуди. Современная термодинамика. От тепловых
двигателей до диссипативных структур. - М., УРСС, 2002.

7.	Л.А. Блюменфельд. Решаемые и нерешаемые проблемы биологической
физики. М., УРСС, 2002, 158 с.
2.	Введение. О биофизике

Положение страны в мировой иерархии опреде-
ляется её местом в мировой науке. ... У нас
единственный бесценный предмет гордости — наш
интеллект, наша история, наша уникальная многона-
циональная культура, наша уникальная природа, наша
традиция дружеского общения, наш язык. Они — основа
нашего патриотического чувства. Они — условия выжи-
вания, возрождения и процветания нашей страны. ...

Независимость и самобытность особенно свойствен-
на людям науки. ... Интеллектуальная основа общества
сохраняется лишь при условии связи поколений, при
непосредственном общении «отцов» и «детей.

С.Э. Шноль

Поначалу о предмете исследования биофизики как науки о живой
материи. Исторически и административно биофизику относят к биологии,
называя её разделом биологии, изучающим физические механизмы
различных биологических процессов. Это положение справедливо лишь
отчасти, поскольку биология по своему существу и умению изучает лишь
сами живые системы, а биофизика привносит в науку глубокое понимание
общих физических основ исходного формирования, развития и функцио-
нирования живых систем. Известные и цитируемые определения «живого»
обычно сводятся к перечислению важнейших биологических признаков (типа
клеточного строения, обмена веществ, размножения, естественного отбора и
т.д.), к констатации универсальности химического разнообразия живой
природы, к упоминанию некоторых общих физических характеристик (типа
термодинамической неравновесности, нелинейности и пр.).

Попробуем перейти к более общему определению живого, точнее
говоря, предмету науки, который ранее назывался естествознанием и
которым ныне, сквозным образом, занимается единственно биофизика,
перекрывая свои понимания с философией: живое можно охарактеризовать
как системную совокупность физических принципов, реализуемых универ-
сальным химическим инструментарием и проявляющуюся в единстве
биологических структур и функций, способных к устойчивой эволюции.
Поэтому, как раздел биологии биофизика действительно изучает физические
аспекты строения и механизмы процессов в живых системах, а как
направление физики, как естествознание, биофизика раскрывает фунда-
ментальные принципы возникновения, структурной системности и устой-
чивого развития живых систем. Действительно, в основе всех природных
процессов лежат процессы физические, определяемые непреложными
законами физики.

Оттого достаточно несостоятельным представляется широко
цитируемое определение NASA, выработанное в 1994 году и применяющееся
в задачах поиска жизни во Вселенной, «жизнь — самоподдерживающаяся
химическая система, способная к дарвиновской эволюции». Жизнь — далеко
не только химическая система в своей основе (!), а механизмы устойчивой
эволюции вполне могут быть отличны от дарвиновской модели. Хорошая
выборка определений Живого приведена в Интернете в статье «Жизнь»
[https ://ш. wikipedia. org/wiki/Жизнь].

В этом отношении куда более адекватными представляются определе-
ния биофизиков М.В. Волькенштейна: «Живые тела, существующие на
Земле, представляют собой открытые, саморегулирующиеся и самовоспро-
изводящиеся системы, построенные из биополимеров — белков и
нуклеиновых кислот», и Л.А. Блюменфельда: «назовем живыми самовос-
производящиеся системы, которые способны создавать информацию при
взаимодействии с окружающей средой», а также математика А.А. Ляпунова:
«жизнь — это «высокоустойчивое состояние вещества, использующее для
выработки сохраняющих реакций информацию, кодируемую состояниями
отдельных молекул».

Ещё одно содержательное, информационно-ориентированное и в чём-
то эпатажное определение жизни дано Г.Р. Иваницким: «Жизнь — это сис-
тема (биосфера), для которой характерна память, способность к
направленной подвижности, самовоспроизведению, обмену веществ, регули-
руемому потоку энергии и к размножению. Жизнь — это результат про-
цесса игры при взаимодействии части системы со своим окружением. В игре
у этой части системы появилось свойство запоминать вероятности появ-
ления удач и неудач в предыдущих раундах, что дало ей шанс на существо-
вание в последующих раундах».

Существенно, что все эти определения жизни, по существу, идут от
биофизического комплекса представлений о предмете живого. Встречаю-
щееся в некоторых учебниках и высказываниях определение: «биофизика
есть наука о взаимодействиях и механизмах» не отражает фундаментальной
роли физики и биофизики, поскольку вся биология построена на взаимо-
действиях и механизмах на всех уровнях живого.

До начала 19 в. биологии как самостоятельной науки не существовало,
а все науки о живом входили в предмет интересов и пониманий физики.
Формальное разделение наук о живом и неживом произошло относительно
недавно, а сам термин «биология» был предложен всего 200 с небольшим лет
назад — в 1802 г. независимо и одновременно Жаном Батистом Ламарком
(1744-1829), французским естествоиспытателем, эволюционистом, великим
предшественником великого Чарльза Дарвина (1809—1882) и немецким
естествоиспытателем, анатомом и физиологом Готфридом Рейнхольдом
Тревиранусом (1776-1837). Для биологии концентрация наук о живом ока-
залась плодотворной: завершилась систематизация видов, появилось
дарвиновское эволюционное учение, физиология, цитология и эмбриология
сформировались как системные разделы науки о живом.

Вместе с тем, науки о живом всегда были естественным образом впле-
тены в развитие физики. Ученый мир всегда стремился добраться до основ
биологических явлений. Достаточно упомянуть всего лишь несколько имен
выдающихся физиков, которые закладывали физический фундамент
биофизики и биологии: Рене Декарт (1596-1650), Антони ван Левенгук
(1632-1723), Роберт Гук (1635-1703), Исаак Ньютон (1643-1727), Леонард
Эйлер (1707-1783), Даниил Бернулли (1700-1782), Пьер Симон Лаплас
(1749-1827), Луиджи Гальвани (1737-1798), Алессандро Вольта (1745-1827),
Томас Юнг (1773-1829), Юлиус Роберт Майер (1814-1878). Альберт
Эйнштейн (1879-1955), Нильс Бор (1885-1962), Эрвин Шредингер (1887—
1961). И многие-многие другие. Однако, основателем и корифеем современ-
ной биофизики, все-таки, следует считать Германа Людвига Фердинанда фон
Гельмгольца (1821-1894), выпускника Военно-медицинской академии в
Берлине, лейб-лекаря императора, ставшего выдающимся физиком и
биофизиком.

Заметим, что не успели биология и физика размежеваться, как вышла в
свет книга «Грамматика науки», написанная английским математиком Карлом
Пирсоном (1857-1935) в которой тот дал одно из первых определений
биофизики (в 1892 г.): «Уже теперь представляется несомненным, что
некоторые обобщения физики — в особенности великий принцип сохранения
энергии — описывают...часть нашего чувственного опыта относительно
жизненных форм. Нужна ... отрасль науки, имеющая своей задачей
приложение законов неорганических явлений, физики к развитию
органических форм. ...Факты биологии — морфологии, эмбриологии и
физиологии — образуют частные случаи приложения общих физических
законов. ...Следовало бы назвать ее биофизикой. ...Ей принадлежит большое
будущее». Эта книга, по-видимому, привнесла в научный мир первое
системное определение биофизики и принесла Пирсону такой же успех, как и
его кривые распределения случайных величин.

С 40-х гг. прошлого уже века в биофизике начались разительные
перемены. Из линейной и фрагментарно-описательной она становилась
«объяснятельной». И то было велением времени — совершившая к середине
нашего века феноменальный скачок физика активно входила в биологию
через представления термодинамики открытых систем, квантовую химию и,
математическое понимание нелинейных сложных систем и квантовую химию.
Здесь необходимо вспомнить выдающийся вклад Эрвина Шрёдингера в
биологию, связанный с его книгой «Что такое жизнь с точки зрения физики?»
(1944), основанной на лекциях, которые были прочитаны в дублинском
Тринити-колледже в феврале 1943 г. По версии С.Э. Шноля эти лекции и
книга были созданы под впечатлением от статьи Н.В. Тимофеева-Ресовского,
Карла Циммера и Макса Дельбрюка опубликованной в 1935 г. и переданной
Шрёдингеру Паулем Эвальдом в начале 1940-х гг. Статья была посвящена
изучению генетических мутаций, которые возникают под действием рент-
геновского и гамма-излучений и для объяснения, которых авторами была
развита теория мишеней. Хотя в то время ещё не была известна молекулярная
природа генной наследственности, взгляд на проблему мутагенеза с точки
зрения атомной физики позволил выявить некоторые общие закономерности
этого процесса. Работа Тимофеева-Циммера-Дельбрюка была положена
Шрёдингером в основу его книги, которая привлекла широкое внимание
сначала физиков, а затем и биологов. Некоторые из них (например, Морис
Уилкинс — английский физик и молекулярный биолог, лауреат Нобелевской
премии по физиологии и медицине 1962 г. совместно с биологом Джеймсом
Уотсоном и физиком Фрэнсисом Криком) под её влиянием решили заняться
молекулярной биологией/биофизикой. Крик также известен тем, что
сформулировал доминирующую «центральную догму молекулярной
биологии»: генетическая информация передается в клетке в одну сторону, от
ДНК к РНК, а затем к белку.

Уже в 1954 г., через год после открытия двуспиральной структуры мо-
лекул ДНК, другой великий физик Георгий Гамов понял, что структура бел-
ков, состоящих из 20 аминокислот, должна быть зашифрована в последова-
тельности из четырёх возможных нуклеотидов, входящих в состав молекулы
ДНК. Он предположил и рассчитал, что кодоны должны состоять из трёх
нуклеотидов, чтобы кодонов хватило для всех 20 аминокислот (всего же воз-
можно 64 различных кодона из трёх нуклеотидов: на каждую из трёх пози-
ций можно поставить один из четырёх нуклеотидов). Таким образом, он был
первым, кто обосновал кодирование аминокислотных остатков триплетами
нуклеотидов. Особая ситуация в отношении возникающей молекулярной
биологии складывалась в те годы в СССР. Но именно в нашей стране физики
сыграли выдающуюся роль в области развития биологии.

О российской биофизике

Необходимо сказать о наших соотечественниках, которых за труды и
идеи следовало бы считать физиками-биофизиками. И, как не трудно дога-
даться, первым среди них был наш Михаил Васильевич Ломоносов (1711—
1765). Будучи последователем Ньютона и приверженцем его представлений о
роли эфира в физических и физиологических процессах, он попытался дета-
лизировать описание нервного импульса, рецепции и зрения на основе меха-
нической модели эфира. В «Слове о происхождении света» он описывает ме-
ханическую модель эфира, состоящую из малых сфер, имеющих на своей
поверхности зубцы, плотно сцепляющие соседние сферы при поворотах и
вращении. При этом на движение этих эфирных частиц могут оказывать
влияние молекулы различных веществ. «Вообразив сие основание, — пишет
Ломоносов — ясно себе представить можете всех чувств действия и других
чудных явлений и перемен в натуре бывающих. Жизненные соки в нервах та-
ковым движением возвещают в голову бывающие на концах их перемены,
сцепляясь с прикасающимися им внешних тел частицами. Сие происходит
нечувствительным временем, для беспрерывного совмещения частиц по все-
му нерву от конца до самого мозгу. Ибо по механическим законам известно,
что многие тысячи таких шаровых колес, когда они стоят в совместном
сцеплении, беспрерывно должны с одним повернутым внешнею силою вер-
теться, с остановленным остановиться и с ним купно умножить или ума-
лять скорость движения. Таким образом, кислая материя, в нервах языка
содержащаяся, с положенными на язык кислыми частицами сцепляется, пе-
ремену движения производит и в мозге оную представляет. Таким способом
рождается обоняние». Конечно, с позиций современного знания приведен-
ное высказывание выглядит архаичным. Тем не менее, даже при отсутствии
«достаточного запаса опытов», в нем угадываются глубоко осмысленные,
пусть интуитивные, представления о фундаментальных свойствах возбуди-
мых биологических систем — циклических процессах, активных средах, ав-
товолновых процессах и т.д.

Российская биофизика формировалась в среде выдающихся русских
ученых-естествоиспытателей конца девятнадцатого, начала двадцатого века
— физиков, биологов, медиков, тесно связанных с Московским университе-
том. Среди них были Н.К. Кольцов, В.И. Вернадский, П.Н. Лебедев,
И.И. Мечников, П.П. Лазарев, позднее — С.И. Вавилов, А.Л. Чижевский,
Н.В. Тимофеев-Ресовский и многие другие.

Удивительна связь между судьбами научных идей и людскими
судьбами. Николай Константинович Кольцов (1872—1940), о котором мы уже
упоминали выше, выдвинул гипотезу, что признаки, передаваемые по
наследству, определяются линейным расположением мономеров в полимер-
ных молекулах, размножающихся по принципу матриц (!). Эта основопо-
лагающая идея так бы и была долгое время не замечена, если бы не работы
его ученика Николая Владимировича Тимофеева-Ресовского (1900-1981),
выдающегося биолога и биофизика. Вместе с физиком-теоретиком Максом
Дельбрюком в Германии он начал экспериментальное изучение идеи
Кольцова — определения частоты мутаций у дрозофил в зависимости от
радиоактивного излучения. Он экспериментально определил размер генома в
клетке — его «эффективное сечение захвата». Под влиянием Тимофеева-
Ресовского Дельбрюк заинтересовался генетикой фагов. После эмиграции
Дельбрюка в США в аспирантуру к нему поступил орнитолог Джеймс
Уотсон (1928), который, как мы уже упоминали, вместе с английским
биофизиком и генетиком Френсисом Криком (1916) и Морисом Уилкинсом
(1916), английским биофизиком, в 1953 г. создали пространственную модель
ДНК — двойную спираль, а в 1962 г. получили за эту работу Нобелевскую
премию Мы не забываем, что Розалинда Франклин своей работой над
получением рентгенограмм структуры ДНК составила экспериментальную
основу этого эпохального движения мысли. Сделанные ею снимки отли-
чались особой чёткостью и подготовили почву для выводов о структуре ДНК,
сделанных Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком.

А истоки идеи матричного синтеза, по крайней мере независимо и
впервые, пришли к ним через Дельбрюка и Шредингера от Кольцова и
Тимофеева-Ресовского. Заметим, что в конце жизни Николай Владимирович
несколько лет преподавал молекулярную биологию, а, по существу, —
теорию микроэволюции, биофизикам на физическом факультете на кафедре
биофизики.

«Биологическая» биофизика в России естественным образом брала
начало от наших славных зоологов, ботаников, физиологов, медиков, в
первую очередь И.М. Сеченова. Сейчас о том, как отечественная «физии-
ческая» биофизика создавалась физиками Московского университета. В фи-
зической лаборатории, руководимой Петром Николаевичем Лебедевым
(1866—1912), создателем русской экспериментальной физической школы, в
начальные годы 20-го столетия проходили семинары (коллоквиумы),
посвященные проблемам фотосинтеза. В их организации и проведении
участвовал профессор Московского университета, выдающийся физиолог
растений и популяризатор эволюционного учения Климент Аркадьевич
Тимирязев (1843-1920). Лебедевы и Тимирязевы дружили семьями. Сейчас
предмет семинарских обсуждений назывался бы биофизикой фотосинтеза.
Обсуждался, в частности, и вопрос относительно зависимости эффек-
тивности фотосинтеза от интенсивности и длины волны света. Напомним,
что тогда ещё не существовало теории относительно энергии светового
кванта. Именно с этим вопросом обращался к Тимирязеву тогда ещё студент
медицинского факультета Петр Петрович Лазарев (1878-1942), впоследствии
ученик и соратник Лебедева. В 1901 г. Лазарев окончил медицинский
факультет Московского университета. Позднее (в 1903 г.) он сдал экстерном
на физико-математическом факультете полный курс физики и математики и
остался работать поначалу лаборантом в лаборатории Лебедева. Позже, уже в
1912 г., Лазарев по представлению своего учителя возглавил его лабораторию.
В 1917 г. он был избран первым в России академиком-биофизиком по пред-
ставлению выдающегося физиолога, Нобелевского лауреата Ивана Петровича
Павлова (1849—1936). Им же в 1922 г. был прочитан первый в России лекции-
онный курс под названием «Биофизика» для врачей при клинике Москов-
ского университета.

С 1918 г. П.П. Лазарев был главным редактором и издателем журнала
«Успехи физических наук». С 1920 г. по 1931 г. П.П. Лазарев возглавлял соз-
данный по его инициативе и утвержденный специальным декретом Предсе-
дателя Совнаркома В.И. Ульянова—Ленина Государственный институт био-
физики и физики. Лазарев также являлся основоположником медицинской
рентгенологии: в его институте имелась первая и единственная тогда рабо-
тавшая рентгеновская установка, на которой сделали рентгеновский снимок
Ленина после покушения на него в 1918 г. Однако институт биофизики и фи-
зики был ликвидирован после ареста Лазарева в 1931 г., а в 1934 г. на его ос-
нове был сформирован ФИАН имени Лебедева.

И всё же, следует заметить, что одним из наиболее выдающихся, муд-
рым и, странным образом, недооцененным в нашей области знания ученым,
был Николай Алексеевич Умов (1846-1915). Если Гельмгольц окончательно
сформулировал закон сохранения энергии в интегральной форме, то Умов
впервые сформулировал его в дифференциальной форме через потоки энер-
гии (!). Вместе с Лебедевым он принимал деятельное участие в составлении
проекта и организации Физического института при университете, преподавал
физику студентам-медикам, был Президентом Московского общества испы-
тателей природы (1897—1915). После смерти А.Г. Столетова в 1896 г. он воз-
главлял кафедру физики.

Исторически и по неразумению распорядителей науки биофизику
относят к разделу биологии. По существу же, она вместе с рядом других наук
типа биохимии и молекулярной биологии составляют куда более широкий
комплекс наук о живом. Биофизика по предмету изучения и по методам
значительно шире, чем биология: это наука о живых и сопряженных неживых
системах, определяющая через физические закономерности возможности,
границы и механизмы возникновения и функционирования живых систем.
Биофизика — в классическом понимании — естествознание, база наук о
живом, где принципы — физические, инструментарий — химический
(биохимический), а функции — биологические. Так и Н.А. Умов, выдающий-
ся мыслитель, воспринимал физику как базу наук о живом. Предвосхитив
мысли не читавших его трудов создателей термодинамики открытых систем,
синергетики, а также многих современных отечественных биофизиков, он
языком современной тогда ему науки формулировал «что есть жизнь с точки
зрения физики». Он содержательно обсуждал концепцию открытых
термодинамических систем и физических машин в живых системах. Чего
стоит его яркое принципиальное высказывание, отражающее естественно-
научное предназначение биофизики: «Переживаемая нами эпоха должна
служить не къ разъединенно, а къ сближение задачи объ организованномъ и
неорганизованномъ въ природе. Не только въ области жизни, но и въ
области неживой матерш. Физико-механическая модель живой матерш
есть стройность.» (1902 (!) год). Сейчас бы его слово «стройность» звучало
как «симметрия» или «регулярность».

С середины 1920-х гг. до послевоенного времени физики Московского
университета системно живой природой непосредственно не занимались. Но
и здесь необходимо вспомнить Сергея Ивановича Вавилова (1891—1951),
младшего брата Николая Ивановича Вавилова (1887-1943), выдающегося
биолога, генетика, физиолога растений и географа, президента ВАСХНИЛ
(1929) и непримиримого врага Т.Д. Лысенко (1898-1876). Лазарев был науч-
ным руководителем Вавилова. В Институте физики и биофизики Вавилов ис-
следовал квантовую природу света при отсутствии приборов для регистра-
ции сверхнизкой интенсивности света. Тогда Лазарев, занимавшийся
биофизикой рецепторов и проводивший спектральные исследования чувст-
вительности глаза, предлагает использовать для опытов человеческий глаз —
на тот момент наиболее чувствительный физический прибор. В 1932 г. вме-
сте со своим аспирантом Павлом Александровичем Черенковым (1904) он
открывает излучение, возникающее при движении в веществе заряженных
частиц со скоростями, превышающими фазовую скорость света в данном
веществе (Нобелевская премия за это открытие и теоретическое его объясне-
ние в 1958 г. была присуждена И.Е. Тамму, И.М. Франку и П.А. Черенкову).

К истории создания кафедры биофизики на физфаке МГУ

Для естествознания сороковых-пятидесятых годов в мировой науке ак-
туальной стала подготовка исследователей с тремя фундаментальными обра-
зованиями: физическим, биологическим и химическим. В нашей стране была
еще одна важная причина возникновения в 40-е гг. тесного союза между
биологией и физикой. Теперь мало известно и частью забыто, что именно
физика и физики сыграли решающую политическую роль в возрождении со-
временной биологии на переломном этапе истории нашей страны в середине
прошлого столетия. И с этой ситуацией как раз и связано создание кафедры
биофизики на физфаке.

Начиная с 30-х гг., в 40-е гг., и даже позже, в 50-е гг. прошлого века при
Н.С. Хрущеве, политически доминирующим направлением в биологии, науке
и образовании, стала «лысенковщина», поддержанная властью и отрицавшая
классическую генетику и связанные с ней основы эволюционного учения.
Лысенко обещал с помощью своего учения в голодное послевоенное время
быстро накормить страну, против долгой и неопределенной по результатам
генетики. А для биологии это явление было частью общего идеологического
наступления на «буржуазные, идеалистические» направления в науке.
Конкретно, это серьёзным образом коснулось и набиравшей силу нестан-
дартной кибернетики. Насаждение догматических и вненаучных
(убедительно бытовых) взглядов академика Т.Д. Лысенко, а также его,
реально вредоносная деятельность, привели после печально известной
сессии ВАСХНИЛ 1948 г. к прямым репрессиям в среде генетиков, а в 40-е и
50-е гг., к прямому разгрому практически всех передовых биологических и
сельскохозяйственных лабораторий, что критическим образом и на многие
годы затормозило развитие биологии в СССР. А происходило это в то время,
когда уже с 1953 г. (!) были известны структура ДНК и молекулярный смысл
генетического кода. Ученые неоднократно обращались с письмами к руковод-
ству страны о недопустимости подобного положения в биологической науке,
но безрезультатно. Тогда группа передовых биологов стала в инициативном
порядке готовить обращение к руководству страны. Но главной силой,
решительно вставшей против лысенковщины, стали десятки ведущих
физиков, в том числе большая группа выдающихся академиков, работавших
на физфаке.

Напомним, что «идеологизированные» представители марксистской
философии начали наступление и на «идеалистические корни» квантовой
механики, т.е. на фундаментальные основы физики. За ними стояли атомное
оружие, твердотельная радиоэлектроника, науки о материалах. Активные на-
падки начинались и на новейшие направления квантовой химии. В 1955 г.
группой биологов, современно образованных и осведомленных, преимущест-
венно ленинградских, было подготовлено письмо-обращение в ЦК КПСС,
которое подписали около 300 ученых, среди которых значительное
большинство составляли физики. Можно назвать имена некоторых наших
выдающихся ученых, поднявших свой голос в защиту отечественной науки.
Это были академики Л.Д. Ландау, И.Е. Тамм, М.В. Келдыш, Г.С. Ландсберг,
А.И. Фрумкин, П.Л. Капица, А.И. Алиханов, Ю.Б. Харитон, М.А. Леонтович,
М.А. Арцимович, А.Н. Тихонов, М.А. Лаврентьев, С.Л. Соболев, С.А. Хрис-
тианович; В.Л. Гинзбург, Я.Б. Зельдович, М.А. Марков, А.И. Алиханьян,
И.Я. Померанчук, А.И. Шальников, А.Б. Мигдал, Г.Н. Флёров и многие
другие.

Н.С. Хрущев, на тот момент первый секретарь ЦК КПСС и председа-
тель Совета Министров СССР, был крайне раздражен этой несанкциониро-
ванной инициативой, но, обладая необразованным, но рациональным умом,
понемногу стал сдерживать и отодвигать от управления наукой Лысенко. Как
раз в это время физики через военные лобби создали несколько научных цен-
тров, где поднялись ростки современной молекулярной биологии: на Урале в
Миассово, в Москве в Курчатовском центре, в Обнинске. Тогда же стране
требовалось создание независимого образовательного подразделения в
смежных областях биологии и физики. Два Нобелевских лауреата академики
И.Е. Тамм и Н.Н. Семенов при деятельном участии А.И. Шальникова, впо-
следствии тоже академика, в 1959 г. обратились к ректору МГУ математику
И.Г. Петровскому с предложением создать кафедру биофизики на физиче-
ском факультете, первую в научном мире кафедру биофизиков у физиков, а
не у биологов или медиков.

На биологическом факультете кафедру биофизики создали в 1953 г.,
ориентируя её на медико-биологические, радиологические и, отчасти,
космические направления. В становлении кафедры участвовали академики
А.А. Красновский, А.Н. Теренин, Г.М. Франк, член-корреспондент АН СССР
А.М. Кузин. Её основателем был доктор биологических наук, биохимик по
роду занятий, профессор Борис Николаевич Тарусов. К общепризнанным
научным заслугам Б.Н. Тарусова следует отнести исследования в области
физико-химических механизмов, адаптации, радиационной биофизики,
теории цепных реакций при перекисном окислении липидов и их роли в
жизнедеятельности организмов и при развитии патологических процессов.
Он был одним из первооткрывателей сверхслабого свечения у растений и в
тканях животных в видимой области спектра. С первых дней кафедра
биофизики биологического факультета МГУ является бесспорным
флагманом отечественной биологической биофизики, сотни её выпускников
успешно работают в области биофизики и физико-химической биологии.
С 1976 г. кафедру возглавляет профессор Андрей Борисович Рубин, извест-
ный биофизик, доктор биологических наук, академик РАН (2022). А.Б. Рубин
— автор множества статей, монографий и классических учебников в области
биофизики. На наш взгляд, лучшими учебными пособиями в стране стали и
учебники Г.Ю.Ризниченко по математическому моделированию в биологии.

Ректор МГУ И.Г. Петровский и декан физического факультета
В.С. Фурсов поддержали инициативу физиков по созданию «физической»
биофизики, и в ноябре 1959 г. была заложена сначала специализация, затем
межкафедральная лаборатория, а следом и кафедра биофизики. Руководить
кафедрой по предложению названных академиков предложили физико-
химику Л.А. Блюменфельду, а в качестве преподавателей пригласили биохи-
мика С.Э. Шноля и физиолога И.А. Корниенко. Следует отметить очень
важное обстоятельство, связанное с созданием кафедры: на физическом
факультете: среди студентов, инициативно тогда же возникла встречная
инициатива по созданию физической специализации «биофизика». Они же и
стали первыми студентами и аспирантами кафедры, частью перейдя на неё с
других направлений.

Л.А. Блюменфельд (1921-2002) является реальным создателем кафед-
ры биофизики, возглавлявшим ее в течение 30 лет. Л.А. Блюменфельд —
участник Великой отечественной войны. После окончания химического
факультета МГУ учился в аспирантуре Физико-химического института
им. Карпова. На кафедре биофизики он многие годы читал курсы лекций
«Физическая химия», «Квантовая химия и строение молекул», «Избранные
главы биофизики». Л.А. Блюменфельд — ученый с мировым именем, автор
более 200 работ, 6 монографий. Его небольшая книга-завещание «Решаемые
и нерешаемые проблемы биологической физики» до наших дней является
одним из самых ярких научных трудов, определивших движение российской
биофизики в 21-ом веке.

Его исследования были связаны с методами радиоспектроскопии (им
был создан первый в стране ЭПР-спектрометр для биологических исследо-
ваний), его интересы охватывали широкий круг вопросов: от проблем
термодинамики, теории информации в биологии до изучения механизмов
ферментативного катализа, фотосинтеза и окислительного фосфорилиро-
вания. В 2001 г. Л.А. Блюменфельд совместно с В.А. Твердисловым и
А.Н. Тихоновым был удостоен Ломоносовской премии за научные исследо-
вания в области биологических энергопреобразующих молекулярных машин.

Научные интересы Л.А. Блюменфельда в значительной степени
определили научные направления, представленные на кафедре биофизики
физического факультета МГУ, — физические основы строения, функцио-
нирования и регуляции биологических систем на молекулярном, клеточном и
т.д. уровнях, вплоть до биосферного. В подобном понимании биофизика,
включающая математическое моделирование фундаментальных биологи-
ческих процессов и синергетические подходы, на его взгляд, состоялась как
теоретическая биология. Следует отметить, что в научных направлениях,
развиваемых на кафедре биофизики и в работах ее выпускников, пред-
ставлены практически все направления современной биофизики и биологии.
В последние годы на кафедре успешно ведутся работы в области
медицинской биофизики, биофизической экологии и нанобиотехнологий.
Более полувека существования кафедры курсы лекций по биохимии и
истории биологии читал доктор биологических наук профессор Симон
Эльевич Шноль (1930—2021), окончивший в 1951 г. Московский университет
по кафедре биохимии животных (в последние годы биохимию преподаёт
профессор М.А. Пантелеев, член-корр. РАН). Совместно с коллегами
С.Э. Шноль в течение десятилетий изучал колебательные процессы и
космофизические эффекты в биологических и физико-химических системах,
изотопные эффекты в биологических системах, разрабатывал новые нетри-
виальные подходы в теории биологической эволюции. Он — автор более чем
200 работ, в том числе 4 книг. С.Э. Шноль — выдающийся популяризатор
науки, блестящий рассказчик, остроумнейший и эрудированный дискутант.
Его многократно переиздававшаяся книга «Герои, злодеи и конформисты
российской науки» является одним из отечественных шедевров научно-
исторического исследования. Именем С.Э. Шноля названа малая планета
Солнечной системы.

С.Э. Шноль обладал удивительной интуицией в науках, также опреде-
лившей на многие десятилетия научные направления кафедры биофизики.
Именно он привнёс на кафедру идеи изотопии в биологии и эволюции, идеи
слабых воздействий и малых концентраций, осознание физико-химических
принципов естественного отбора и эволюции, идеи биологических часов и
колебательных процессов в живых системах, понятия автоволновой само-
организации в биологии через возрождённую им реакцию Белоусова
(в настоящее время именуемой Белоусова-Жаботинского), а также нераскры-
тые пониманием до сих пор идеи относительно роли космофизических
факторов в развитии Вселенной, в том числе живой материи.
3.	Вехи истории. О творцах нашей науки

Одна из первых попыток объяснения окружающего мира была
предпринята древнегреческим философом Фалесом Милетским (655 — ок.
547 гг. до н. э. / 640 — ок. 562 гг. до н.э.), полагавшим, что все в мире
возникает из воды, состоит из воды и превращается в воду. Другой
древнегреческий философ Парменид (ок. 540—480 гг. до н.э.) в поэме «О
природе» развил учение о четырех вечных и неизменных элементах Жизни
— огне, воздухе, воде и земле, из сочетания которых в различных пропор-
циях образуется все сущее, в том числе цикличность мирового процесса
(биосферы — уточнение авт.). Впервые влияние окружающей среды
(географические и климатические условия) на организм человека и образ его
жизни было отмечено древнегреческим философом Демокритом из Абдер
(Фракия, ок. 460-361 гг. до н. э.), который даже причину происхождения
жизни видел в специфических особенностях среды. Эту научную линию
развил древнегреческий врач Гиппократ (460-377/356 гг. до и. э.). Именно
он впервые выдвинув тезис об определяющем влиянии социально-
экологических (в современном понимании) факторов на формирование
телесных (конституция) и душевных (темперамент) свойств человека.

Со времен Аристотеля (384—322 до н.э.) физика включала в себя всю
совокупность сведений о неживой и живой природе («Physis» — «Природа»,
греч.). Аристотель в своих трудах («О частях животных», «Возникновение
животных», «Описание животных») одним из первых рассмотрел животных в
связи с их местообитанием. Ученик Аристотеля и один из первых ботаников
древности Теофраст (372-287 до и. э.) заложил основы геоботаники. В кни-
гах «Естественная история растений», «О причинах растений» он описал
естественные группировки растений, связанные с ареалом, и впервые рас-
смотрел покрытосеменные растения в зависимости от почвы и климата.
Позже Плиний старший (79—23 до н. э) в книге «Естественная история»
обобщил данные по зоологии и ботанике. Римский врач и естествоиспыта-
тель Клавдий Гален (129—200 гг. н.э.) впервые разделил функции мозга на
чувствительные (сенсорные), интегративные и исполнительные (моторные), а
также поддерживал воззрения Аристотеля и Гиппократа о влиянии климата
на здоровье.

Окружающая нас природа на протяжении веков давала науке примеры
сложного динамического поведения объединенных биосферой подсистем.
Математическое моделирование в биологии исторически связано с описании-
ем динамики популяций, эволюционного процесса, распространения эпиде-
мий, биологических часов и т.д. Пожалуй, первым, кто применил метод коли-
чественного моделирования в биологии, был известный нам со школы
математик Леонардо Пизанский (Фибоначчи, 1180-1240), который
систематически изложил в «Книге абака» достижения арабской математики и
в 1202 г. предложил для описания размножения семьи кроликов числовую
последовательность, где каждый член является суммой двух предыдущих
(числа Фибоначчи: 1, 1, 2, 3, 5 ,8, 13, 21, 34,...).

Леонардо да Винчи (1452-1519) — величайший энциклопедист,
художник и естествоиспытатель, автор первой конструкции летательного ап-
парата, взявшей за образец крыло летучей мыши, сделал безмерно много для
анатомии. Он стал создателем продуктивного научного подхода для анатомов
и физиологов о связи формы, структуры и функции органов. Без сомнения,
Леонардо да Винчи — основатель биомеханики, создавший классификацию
мышц, учение о биомеханике скелета, кинематике скелетно-мышечных
систем, биодинамике сердца, общей механики движения человека и лошади,
полета птиц и т.д.

Швейцарскому естествоиспытателю К. Геснеру (1516-1565) принадле-
жит одна из первых попыток классификации растений: он разделил
растительное царство, основываясь на признаках цветка и семени. В 1551—
1587 гг. издал пятитомную «Историю животных», в которой, исходя из
классификации Аристотеля, описал животных, в том числе и по признаку
среды обитания.

Г. Галилей (1564—1642) в «Диалоге о двух главнейших системах мира»
(1632) писал: изменение размеров системы изменяет ее свойства. Рассуждая о
прочности балок зданий и костей, Галилей вводит в науку концепцию, весьма
актуальную для современной биомеханики и биофизики. Рассуждения
касаются гипотетической «собаки»: если «галилеева собака» станет в 2 раза
выше, то она станет в 8 раз больше, при этом прочность костей должна
возрасти в 8 раз, но их сечение увеличится только в 4 раза. Дискуссия о
физико-химической заданности размеров биомолекул, клеток, органов и
организмов не стихает в научном сообществе и поныне. В ней затрагиваются
проблемы морфогенеза и пропорций, проблемы диффузионных ограничений
размеров клеток и органелл в соотношении со скоростями ферментативных
актов и процессов биосинтеза, эффективностью внутриклеточного, внутри-
мембранного и межклеточного массопереноса, электрической регуляции и т.д.
И все это в дополнение к традиционной задаче теплообмена у организмов
при разных соотношениях объем/поверхность.

Р. Декарт (1596-1650) — выдающийся французский философ,
математик, физик и физиолог, ввел понятие координаты, функции, сформу-
лировал закон преломления света, дал понятие силы и тогда еще неточную
формулировку закона сохранения количества движения, ввел в научную
практику представление о (безусловном) рефлексе. Стремление Декарта
«рационально» объяснять явления природы на основании современных ему
естественнонаучных представлений приводило к неминуемым заблуждениям.
Декарт занимался физиологией кровообращения, придерживаясь во многом
взглядов своего современника английского врача У. Гарвея (1578-1657),
автора «Анатомического исследования о движении сердца и крови у
животных» (1628). Однако если Гарвей считал, что кровь в организме
перекачивается вследствие сокращения сердечной мышцы, то, согласно
Декарту, кровь, нагреваясь в сердце, расширяется и распространяется по
сосудам. Замечательное заблуждение! Еще не сформулированы законы
термодинамики и нет представлений о тепловых и нетепловых машинах. Но
именно Уильям Гарвей в своей книге на основании введенной им вивисекции
дал анатомо-физиологическое описание организма.

Английский химик и физик Р. Бойль (1627—1691) впервые сформу-
лировал научное определение химического элемента и положил начало
химическому анализу. В 1670 г. он поставил эксперимент по действию на
организмы низкого атмосферного давления, в результате которого было
выявлено, что наибольшей стойкостью к вакууму обладают водные, земно-
водные и пойкилотермные животные. Таким образом, впервые была
предпринята попытка объяснения взаимосвязи между физическими
условиями среды обитания организмов и их адаптационным потенциалом.

Голландский физик К. Гюйгенс (1629—1695), известный работами в
области геометрической оптики и механики колебаний, написал книгу
«Космотеорос», изданную в России по указу Петра Великого, в которой
утверждал, что «жизнь есть космическое явление». С тех пор не затихают
научные споры о возможности космического «привнесения» Жизни на Землю.
Также важно упомянуть создание Гюйгенсом теории связанных
осцилляторов. Плавая на корабле, он заметил, что многочисленные
маятниковые часы из его любимой коллекции синхронизуют со временем
свою работу за счет слабых механических связей через деревянную пере-
городку. Это сугубо механическое наблюдение и сейчас представляется
актуальным при рассмотрении взаимодействия биологических автоколеба-
тельных и автоволновых систем.

Микроскопия как метод применения физического прибора для
изучения биологических объектов сформировалась в XVII в. Простой одно-
линзовый микроскоп был известен уже в XV в. Овладев искусством шлифо-
вания оптических стекол, голландский естествоиспытатель А. ван Левенгук
(1632—1723) довел его увеличение до 300 крат и впервые описал мир
микроорганизмов, в т.ч. бактерий, простейших, плесневые грибы, части тел
насекомых. Позже изучал гистологическую структуру капиллярных сосудов
животных, строение нервных тканей и эритроцитов. В 1695 г. опубликовал
первую книгу по микробиологии «Тайны природы».

Англичанин Р. Гук (1635—1703) известен как физик (изучал цветовые
оптические эффекты в тонких масляных пленках и пузырях), как теплофизик
(установил постоянство для всех тел точек кипения и плавления), как
создатель закона упругости для твердых тел, как выдающийся астроном.
Кроме того, Гук известен выдающимся открытием в биологии - он впервые
обнаружил клеточное строение организмов.

Систематические естественнонаучные исследования начались в России
со времени основания Петром I (1672—1725) в 1725 г. Академии наук в Пе-
тербурге, структура и пути развития которой были продуманы великим
немецким математиком и философом-идеалистом Г. В. фон Лейбницем
(1646—1716), привлеченным Петром I к созданию национальной Академии.
Он создал комбинаторику, заложил математическую логику. Лейбниц полагал
что его дифференциальное исчисление способно раскрыть секреты челове-
ческой природы. В «Монадологии» он излагал свои представления о струк-
туре живого: все живое состоит из бесчисленных деятельных субстанций
монад, находящихся между собой в гармонии (вспомним о нынешних
представлениях относительно биомакромолекул и метаболических сетей).
Декарт, Ньютон и Лейбниц утверждали, что механические законы идентич-
ны для живой и неживой природы.

Выдающийся шведский естествоиспытатель К. Линней (1707—1778)
впервые последовательно применил бинарную номенклатуру (1735) и
построил самую удачную классификацию растений и животных. В 1749 г.
опубликовал работу «Экономия природы», в которой утверждал, что для
поддержания равновесия взаимотношений организмов, кроме размножения,
важно и их уничтожение/разрушение, так как гибель одного организма делает
возможным существование других. Можно считать, он положил начало
теории экологического равновесия экосистем. В 1760 г. он публикует диссер-
тацию под названием «Общественное устройство природы», в котором
сравнивает природу с человеческим обществом, живущим по определенным
законам. Этот подход по праву можно назвать первым, из известных науке,
синергетическим подходом.

Французский естествоиспытатель и член Петербургской АН
Ж. Л. Л. Бюффон (1707—1788) написал 44-томную «Естественную историю»
(1749-1804), где высказал представления о геологическом развитии земного
шара и единстве строения органического мира. В отличие от Карла Линнея,
он полагал, что виды изменяются под влиянием разнообразных факторов
внешней среды и «гнета порабощения», то есть одомашнивания и
приручения.
П. С. Паллас (1741-1811) — русский естествоиспытатель, академик
Петербургской АН, автор «Флоры России» (1784—1788), заложил основы
классического описания животного и растительного мира в связи с клима-
тическими и географическими условиями.

М. В. Ломоносов (1711—1765), будучи последователем Ньютона и
приверженцем его представлений о роли эфира в физических и физиоло-
гических процессах, попытался детализировать описание нервного импульса,
рецепции и зрения на основе механической модели эфира. В «Слове о
происхождении света» он описывает механическую модель эфира, состоя-
щую из малых сфер, имеющих на своей поверхности зубцы, плотно
сцепляющие соседние сферы при поворотах и вращении. При этом на
движение этих эфирных частиц могут оказывать влияние молекулы различ-
ных веществ. «Ибо по механическим законам известно, — пишет Ломоносов
далее — что многие тысячи таких шаровых колес, когда они стоят в совмест-
ном сцеплении, беспрерывно должны с одним повернутым внешнею силою
вертеться, с остановленным остановиться и с ним купно умножить или ума-
лять скорость движения. Таким образом, кислая материя, в нервах языка
содержащаяся, с положенными на язык кислыми частицами сцепляется,
перемену движения производит и в мозге оную представляет. Таким
способом рождается обоняние. Так происходят химические растворы, спуски,
кипение». С позиций современной науки приведенное высказывание выгля-
дит архаичным, однако в нем угадываются начатки осмысленных представ-
лений о фундаментальных свойствах биологических систем — циклических
процессах, активных средах, автоволновых процессах, связанных с ними
электрических взаимодействиях и т.д.

Ж. Б. Ламарк (1744—1829) — выдающийся французский биолог,
эволюционист и предшественник Ч. Дарвина. По предложению Ламарка в
1793 г. Королевский ботанический сад, где работал Ламарк, был реорганизо-
ван в Музей естественной истории, где он стал профессором по кафедре
зоологии насекомых, червей и микроскопических животных. Ламарк стал
таким же знатоком в области зоологии, каким был в области ботаники.
Именно он в 1796 г. предложил термин «беспозвоночные». В 1815—1822 гг.
выходит в свет 7-й труд Ламарка «Естественная история беспозвоночных», в
котором он описал все известные в то время роды и виды беспозвоночных.
Если Линней разделил их только на два класса (червей и насекомых), то
Ламарк выделил среди них 10 классов (современные исследователи
выделяют среди беспозвоночных более 30 типов). Но самым значительным
трудом Ламарка стала книга «Философия зоологии» (1809), в которой он
изложил свою первую целостную теорию эволюции живого мира (лама-
ркизм), основанную на изменчивости организмов непосредственно под
влиянием среды как источника их эволюционного развития. Кроме ботани-
ческих и зоологических работ, Ламарк издал ряд трудов по гидрологии,
геологии и метеорологии. В «Гидрогеологии» (1802) Ламарк выдвинул
принцип историзма и актуализма в трактовке геологических явлений. Не
оценённая современниками, полвека спустя его теория стала предметом
горячих дискуссий.

В 16-18 вв. получило развитие направление медицины, которое
называлось «ятрофизикой» или «ятромеханикой» («iatros» — «врач», греч.).
Медики пытались объяснить все явления в здоровом и больном организме
человека и животных на основании законов физики или химии. И тогда, и в
последующие времена, связь этих наук с и биологией была теснейшей,
вследствие чего вслед за ятрофизикой появилась и ятрохимия. С. Санториус
(1562-1636), итальянский врач, профессор теории медицины университета в
Падуе, развивавший представления ятрофизики, был современником Галилея,
разделял его взгляды на необходимость количественного подхода в естест-
венных науках, пытался использовать некоторые его изобретения в медицине.
Санторио впервые ввел в медицинскую практику точные количественные
измерения. Как медик он прославился кропотливыми многолетними (30-
летними!) исследованиями явления баланса массы у пациентов в ходе жизне-
деятельности. Тщательно их взвешивая, учитывая потребляемую пищу и
выделения, он обнаружил флуктуации веса и, главное, что выделения органи-
зма в результате «неощутимого потения» превосходят все остальные, вместе
взятые. Санториус применил термоскоп Герона для измерения температуры
больных, т.е. первый клинический термометр (1630).

Разделение наук о живом и неживом произошло относительно недавно.
Термин «биология» был предложен в 1802 г. (биология была выделена из
общей науки о природе — физики) независимо и практически одновременно
Ж. Б. Ламарком и немцем Г. Р. Тревиранусом (1776-1837). Участие физики
с ее мощными и глубоко разработанными теоретическими, эксперименталь-
ными и методологическими подходами в решении фундаментальных проб-
лем естествознания неоспоримо.

Один из основателей современной химии француз А. Л. Лавуазье
(1743-1794) вместе со своим соотечественником астрономом, математиком и
физиком П. С. Лапласом (1749-1827) занимался калориметрией, разделом
биофизики, который сейчас назвали бы биофизической термодинамикой.
Лавуазье применил количественные методы, занимаясь термохимией,
процессами окисления (горения). Основываясь на экспериментах, выпол-
ненных совместно с Лапласом (сахаром кормили мышей или сжигали его,
показав равенство тепловыделения), Лавуазье обосновывал представления о
том, что не существует двух химий — «живой» и «неживой» — для неорга-
нических и органических тел.

К числу великих наших предшественников, заложивших основы
учения об электричестве следует, безусловно, отнести итальянского анатома
Л. Гальвани (1737-1798), а также его соотечественника физика А. Вольта
(1745-1827). В связи с замечательными работами Гальвани по «животному
электричеству» нельзя не вспомнить и имя известнейшего средневекового
врача — физиолога австрийца Ф. А. Месмера (1733-1815.), развивавшего
представления о целительном «животном магнетизме», посредством
которого, по его предположению, можно было изменять состояние организма,
лечить болезни. И сейчас эффекты воздействия электрических магнитных и
электромагнитных полей на живые системы во многом остаются тайной для
фундаментальной науки.

Ж. Фурье (1768—1830) в 1822 г. в своем труде «Аналитическая теория
тепла» предложил математическое описание распространения теплоты
внутри твердого тела или закон теплопроводности, гласящий, что поток
теплоты пропорционален градиенту температуры. По сути, закон Фурье стал
первым описанием необратимых процессов, столь характерных для открытых
биосистем.

А. Ф. В. Гумбольдт (1769-1859), крупнейший немецкий ученый,
заложил основы новой науки — биогеографии (главным образом географии
растений), где выделил 19 основных жизненных форм растений, основные
группы растительных ландшафтов, установил закономерности вертикальной
растительной зональности в горах и горизонтальных растительных зон на
равнинах. Гумбольдт подробно изучил основные климаты Северного
полушария и составил карту изотерм полушария. А. Гумбольдт внес большой
вклад в геофизику, вулканологию, гидрографию.

Г. Л. Гельмгольц (1821-1894), немецкий ученый, член-корреспондент
Петербургской АН, автор фундаментальных трудов по физике, биофизике,
физиологии, психологии. Впервые математически обосновал закон сохране-
ния энергии и показал его всеобщий характер. Именно Гельмгольц впервые в
работе «Исследование скорости распространения возбуждение в нервах»
занялся изучением биологических одномерных автоволновых систем. Эта ра-
бота явилась своего рода открытием, т.к. до этого в научной среде было рас-
пространено мнение Ньютона о том, что скорость распространения нервного
импульса бесконечно велика. Гельмгольц доказал обратное, измерив скорость
импульса: для седалищного нерва лягушки она оказалась равной 25-30 м/с.
Математическая модель этого процесса в середине XX в. была предложена
А. Ходжкиным и А. Хаксли, исследовавшими гигантский аксон кальмара
диаметром 1 мм (многократно превосходя диаметр нервных волокон назем-
ных животных, он идеально подходил для исследований).

Я. Молешотт (1822—1893) — немецкий физиолог и философ.
Результаты его работ, равно как и работ его многочисленных учеников,
большею частью изложены в начатом им в 1855 г. исследовании о дыхании и
дыхательных органах, об изменениях веществ в организме и т. д. Самым
значительным достижением Молешшота является высказанная им в 1852 г.
идея биотического круговорота веществ.

Р. Клаузиус (1822-1888) в 1865г с точки зрения термодинамики
показал, что что процессы в системе могут быть необратимы во времени,
хотя в представлениях классической динамики, теории относительности и
квантовой теории, динамические процессы могут быть обратимы, и однона-
правленного движения времени для них не существует. У. Томсон (1824—
1907) (с 1892 г. за научные заслуги — барон Кельвин) — автор многочис-
ленных трудов по термодинамике, теории электричества и магнитных явле-
ний и др., абсолютной шкалы температур, дал свою формулировку 2-го
начала термодинамики. В престижнейшей энциклопедии Dictionary of
Scientific Biography о нем сказано: «Наряду с Гельмгольцем в Германии он
сыграл главнейшую роль...в создании... физики как науки в том виде, в
каком она была известна в 1900 году». В связи с этим необходимо упомянуть
о гениальном прозрении Л. Больцмана (1844—1906), обосновавшим разли-
чие между обратимыми и необратимыми процессами благодаря введению
понятия энтропии или «стрелы времени» (последний термин позже был
выдвинут А. Эддингтоном и И.Р. Пригожиным). Больцман дал статисти-
ческое определение энтропии в 1872 г. как меры неупорядоченности системы.
Позже это вылилось в понимание энтропии как меры нехватки информации о
состоянии системы.

Немецкий геофизик А. Л. Вегенер (1880-1930) создал теорию конти-
нентального дрейфа. Основная идея заключалась в следующем: в далеком
прошлом все континенты на Земле были частью огромного материка, кото-
рый он назвал Пангеей, а «сегодняшние» материки откололись от него
200 млн. лет назад и продолжают «плыть» по поверхности ядра Земли. В
настоящее время эта теория лежит в основе науки о Земле, однако в течение
во времена Вегенера 50 лет ученый мир называл ее не иначе как нелепой,
архаичной и даже опасной. Столь негативная оценка была связана, в основ-
ном, с двумя обстоятельствами: во-первых, ее связью с теорией ката-
строфизма (геологическая концепция, выдвинутая в 1812 г. Ж. Кювье,
согласно которой в истории Земли периодически повторяются события, из-
меняющие горизонтальное залегание горных пород, рельеф, флору и фауну),
а во-вторых, тем обстоятельством, что Вегенер — астроном и метеоролог —
воспринимался геологами и биологами как чужак. Подобно Дарвину, он
объединил и развил догадки боле ранних авторов. Например, Френсис Бэкон
первым отметил совпадение континентальных контуров Южной Америки и
Африки в своем великом труде «Новый Органон» (1620), а общую идею кон-
тинентального дрейфа высказал голландский картограф Абрахам Ортелиус
(1596), позже X. Уэттстайн (1880) полагал, что океаны — это утонувшие
материки. В результате работ Вегенера появилась всеобъемлющая цельная
теория, имеющая непосредственное отношение к происхождению и эволю-
ции видов.

Г. И. Мендель (1822—1884) — биолог и ботаник, сыгравший огромную
роль в развитии представлений о наследственности. Законы Менделя лежат в
основании современной генетики. Вдохновившись изучением изменений
признаков растений, с 1856 по 1863 гг. провел в монастырском саду серию
опытов на горохе, в результате чего сформулировал законы, объясняющие
механизм наследования («Опыты над растительными гибридами». 1910). Но
работа не вызвала интереса у современников. В последствие Мендель
предпринял ряд попыток подтвердить это открытие на других биологических
видах (ястребинке и пчёлах). Но, ввиду неизвестных особенностей в то время
механизмов оплодотворения, результаты, полученные на горохе, не под-
твердились. В результате, великий учёный разуверился в своем открытии.
Только в начале XX в., с развитием представлений о генах, была осознана вся
важность Законов Менделя.

А. Вейсман (1834-1914) — немецкий зоолог и теоретик эволюцион-
ного учения. Отстаивал механистическое понимание жизненных явлений и
отвергал ламаркизм, а с конца 1860-х гг. перешёл, в основном, к теоретичес-
ким исследованиям, посвященным защите, обоснованию и развитию учения
Ч. Дарвина — неодарвинизма. Вейсман — автор теорий наследственности и
индивидуального развития, неверных в деталях, но, в принципе, предвосхи-
тивших современные представления о дискретности носителей наследствен-
ной информации и их связи с хромосомами, а также концепции о роли на-
следственных задатков в индивидуальном развитии.

Л. Пастер (1822—1895) — величайший французский микробиолог и
биохимик, ученый с чрезвычайно широким кругом интересов, заложил
фундамент биотехнологии. Именно он доказал, что многочисленные болезни
вызываются микроорганизмами, создал первые вакцины, разработал мето-
дики сохранения вина и пива, пастеризации, технологии шелковой про-
мышленности во Франции и других странах, выполнил пионерские работы в
области стереохимии. Сейчас, спустя столетие после кончины Пастера, стало
понятно, что развитые им представления о симметрии и несимметрии на
молекулярном уровне связаны с фундаментальными проблемами проис-
хождения жизни, структуры и функционирования биомолекул, старения
организмов — важнейшими проблемами современной биологии.

Петербургский академик К. Э. Бэр (1792-1876), естествоиспытатель,
один из учредителей Русского географического общества, основатель эмбри-
ологии (установил сходство между эмбрионами высших и низших животных
и последовательное появление в эмбриогенезе признаков типа, класса, отряда
и т.д.). Кроме того, известен как автор закона зародышевого сходства и автор
основ современной теории динамики популяций рыб: он сформировал
представления о балансе между размножением и смертностью рыб в
зависимости от наличия корма. С 1851 г. начинается ряд путешествий Бэра по
России, предпринятых с практическими целями и вовлёкших Бэра, кроме
географических и этнографических исследований, в область приклад-ной
зоологии. Его «Каспийские исследования» в восьми частях весьма богаты
научными результатами. Он сформулировал Закон Бэра (1857) — правило,
согласно которому в северном полушарии реки, текущие в любом
направлении, подмывают правый берег (в южном полушарии — левый), что
объясняется совместным действием кориолисовой силы и силы трения,
вызывающими перенос вещества между берегами.

Нельзя обойти вниманием двух гениев физики: А. Эйнштейна (1879—
1955), прославившегося работами в области теории относительности, автора
основополагающих трудов по квантовой теории света и датского ученого
Н. Хендрика Д. Бора (1885-1962 — создателя теории атома на основе
планетарной модели и квантовых представлений. Оба серьезнейшим образом
интересовались проблемой «живого» и соотношением законов живой и
неживой природы. Эйнштейн в конце жизни говорил, что хотел бы
заниматься биологией, ибо в ней можно задать вопрос «Зачем?», тогда как в
физике — нельзя. Биологические системы имеют существенную и принци-
пиальную предысторию, сформировавшую «цель» для индивидуума, вида,
биоценоза. Нильс Бор также утверждал, что «ни один результат биоло-
гического исследования не может быть однозначно описан иначе, чем на
основе понятий физики и химии». Это означало, что биология, медицина,
математика, химия и физика вновь после почти полуторавекового размеже-
вания стали сближаться, в результате чего появились такие новые инте-
гральные науки как биохимия, физикохимия, биофизика.

Очень важное место в науке занимают открытия в области
радиоактивных излучений. Эксперименты и исследования с использованием
рентгеновских лучей, проведенные В. К. Рентгеном (1845-1923, —
немецким физиком и первым лауреатом Нобелевской премии по физике)
помогли получить новые сведения о строении вещества, которые вместе с
другими открытиями того времени заставили пересмотреть целый ряд
положений классической физики. А имя одного из первооткрывателей
радиоактивности — А. А. Беккереля (1852-1908, французского физика)
внесено в список величайших учёных Франции, помещённый на первом
этаже Эйфелевой башни. Нельзя обойти вниманием великую супружескую
пару — М. Склодовскую-Кюри (1867-1934, известного физика и химика,
дважды лауреата Нобелевской премии: по физике и химии) и П. Кюри (1859—
1906, французского физика и лауреата Нобелевской премии по физике),
открывшие элементы радий и полоний.

Русская школа генетики славна многими великими именами.

Н. К. Кольцов (1872—1940) был выдающимся русским ученым. Под
руководством М.А. Мензбира он провел глубокие исследования по срав-
нительной анатомии хордовых, одновременно размышляя о роли ионов в
клетке и механизмах определяющих форму клетки. В 1917 г. для Кольцова
был создан институт экспериментальной биологии на средства леденцовского
научного сообщества. И, наконец, в 1927 г. он опубликовал свое видение
более 30 лет уже мучившей научное сообщество проблемы передачи генети-
ческих признаков. Кольцов был одним из основателей генетики в России и
первым разработал гипотезу молекулярного строения и матричной репро-
дукции хромосом («наследственные молекулы»), предвосхитившую глав-
нейшие принципиальные положения современной молекулярной биологии и
генетики (1928). Он утверждал, что признаки, передаваемые по наследству,
определяются линейным расположением мономеров в полимерных молеку-
лах, размножающихся по прицепу матриц.

Ученик Кольцова — Н. В. Тимофеев-Ресовский (1900-1981) вместе с
физиком-теоретиком М. Дельбрюком в Германии начал экспериментальные
исследования идеи Кольцова: определение частоты мутаций у дрозофил в
зависимости от радиоактивного излучения. Тимофеев—Ресовский внес
фундаментальный вклад в несколько областей современной биологии:
разработал основные понятия и общие принципы генетики, установил
неравномерность возникновения прямых и обратных мутаций и разработал
на этом примере количественные закономерности естественного мутацион-
ного процесса. Д. Д. Уотсон вместе с Ф. X. Криком (1916) и М. Уилкинсом
(впервые получившим высококачественные рентгенограммы ДНК вместе с
Р. Франклин) в 1953 г. создали пространственную модель ДНК, что
позволило объяснить ее биологические функции и физико-химические
свойства. Кроме того, Тимофеев-Ресовский принял участие в создании основ
современной радиационной генетики и количественной биофизики
ионизирующих излучений, сформулировал совместно с физиками "теорию
мишени" и "принцип попаданий". Установил влияние дозы излучения на
интенсивность искусственного мутационного процесса, обнаружил явление
радио стимуляции малыми дозами и осуществил биофизический анализ
мутационного процесса. В последний период своего научного творчества
Николай Владимирович перешел к более глобальной проблеме, которую он
обозначил как "Биосферы и человечество".

Н. И. Вавилов (1887—1943) — российский и советский учёный-
генетик, ботаник, селекционер, географ, академик АН СССР, организатор и
участник ботанико-агрономических экспедиций, охвативших большинство
континентов (кроме Австралии и Антарктиды), в ходе которых выявил
древние очаги формообразования культурных растений. Создал учение о
мировых центрах происхождения культурных растений. Обосновал учение об
иммунитете растений (фитоиммунитете), которое помогает изучать эволю-
цию фитоиммунитета и выводить сорта сельскохозяйственных культур, более
устойчивые к неблагоприятным факторам внешней среды. Под руководством
Вавилова была создана крупнейшая в мире коллекция семян культурных
растений. Внёс существенный вклад в разработку учения о биологическом
виде. Открыл закон гомологических рядов в наследственной изменчивости
организмов, который позволил связать явление независимого появления
сходных признаков в разных группах (параллелизм) с закономерностями
внутривидовой изменчивости. Палеонтология множественными примерами
подтвердила схожести путей эволюции в разных группах, развивавшихся
параллельно.

В середине XX в. советские генетики Н. П. Дубинин (1907—1998) и
А. С. Серебровский (1892-1948) славно продолжили русскую генетическую
школу, сформулировав гипотезу о делимости гена. Кроме того, Дубинин
выявил комплементарность гена и опубликовал ряд важных научных работ по
структуре и функциям хромосом, показав наличие в популяциях «генети-
ческого груза» — летальных и сублетальных мутаций, а Серебровский ввел
понятие генофонда популяции и заложил основы геногеографии.

А. Вейсман (1834—1914) положил начало унификации генетики и
естественного отбора. Теория Вейсмана абсолютно исключала любое на-
следование приобретенных характеристик, идею, вокруг которой велись
длительные дебаты между двумя школами, неоламаркистами и нео-
дарвинистами. Его акцент на других аспектах дарвиновской теории, осо-
бенно первичности роли естественного отбора, также вызывал горячие споры
и вдохновлял других теоретиков пересмотреть свои позиции.

Эволюционистские теории представлены в науке весьма фундамен-
тально и разнопланово.

Ч.	Дарвин (1809-1882) — выдающийся английский натуралист и
путешественник, одним из первых осознал и наглядно продемонстрировал,
что все живые организмы эволюционируют во времени от общих предков.
В своей теории, первое развёрнутое изложение которой было опубликовано в
1859 г. в книге «Происхождение видов путем естественного отбора, или
выживание благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь», основной дви-
жущей силой эволюции Дарвин назвал естественный отбор и неопреде-
лённую изменчивость. Идеи и открытия Дарвина образуют фундамент
современной синтетической теории биологической эволюции, обосновывая
логическое объяснение биоразнообразия. Любопытная справка. В 1858 г.,
в разгар написания труда «Происхождение видов», Ч. Дарвин получил
письмо натуралиста А. Р. Уоллеса (1823-1913) — основоположника зоо-
географии, в котором автор независимо предложил эволюционный механизм,
почти полностью совпадавший с теорией Дарвина. Кстати, именно Уолесс
выступил с едкой критикой ламаркизма и ввёл в научный оборот термин
«дарвинизм». 1 июля 1858 г. выдержки из трудов Дарвина и Уоллеса относи-
тельно естественного отбора были впервые представлены на чтениях в Лин-
неевском обществе широкой публике. Но в науке имя Уоллеса осталось в
качестве термина «линия Уоллеса», определившего условную границу между
радикально отличающимися австралийской и азиатской флорой и фауной
соседствующих островов Борнео-Бали и Сулавеси-Ломбока.

А. Н. Северцов (1866—1936) — русский биолог, основоположник
эволюционной морфологии животных, создатель русской школы морфо-
логов-эволюционистов. Основные труды посвящены установлению законно-
мерностей эволюции, проблемам онтогенеза. Применив сравнительно-эмбри-
ологический метод исследования, Северцов А. Н. собрал ценный фактичес-
кий материал по историческому развитию позвоночных животных и
обосновал гипотезу происхождения низших позвоночных. Дал ряд теоре-
тических обобщений: наиболее известна его теория филоэмбриогенеза,
согласно которой изменения органов, происходящие в эмбриональном разви-
тии, являются причиной изменения этих органов у взрослых животных в
процессе их эволюции. Разработал теорию о четырёх типах эволюционного
процесса: ароморфоз, идиоадаптация, ценогенез, общая дегенерация. Считал,
что единственной причиной филогенетических изменений является изме-
нение среды.

Л. С. Берг (1876-1950) — русский и советский зоолог и географ,
президент Географического общества СССР (1940-1950). Области научных
интересов: ихтиология, география, теория эволюции. Берг известен как автор
нашумевшей книги «Номогенез, или Эволюция на основе закономерностей»
(1922), в которой он развивал оригинальную концепцию эволюции.
Представления теории номогенеза о том, что в основе мутационного
процесса лежат определенные закономерности, ограничивающие возможное
многообразие, в последствие были развиты в работах А. А. Любищева и
С. В. Мейена. А. А. Любищев (1890-1972) известен благодаря своим работам
по общим проблемам биологической систематики, теории эволюции и
философии. Он был активным сторонником холизма, рассматривающего,
согласно Гиппократу, человека как «микрокосм в макрокосме», т.е. как уни-
версальную и единую часть окружающего мира. Со многими положениями
холизма тесно связано понятие синергии.

Б. Э. Симонович (1890-1937) — выдающийся советский биолог-
теоретик. В своей главной книге «Теоретическая биология» Бауэр сфор-
мулировал принцип устойчивого неравновесия живых систем на основе
биофизических аспектов направления движения энергии в живых системах.
Кроме того, Бауэр заложил основы биологических ритмов, неразрывно
связанных с пространственным строением и функциями живых клеток.

И. И. Шмальгаузен (1884—1963), советский биолог, зоолог, ученик
А.Н. Северцова, теоретик эволюционного учения. В 1939—48 гг. заведовал
организованной им кафедрой дарвинизма МГУ имени М.В. Ломоносова,
возглавлял Институт эволюционной морфологии АН СССР. В 1920—30 гг.
сформулировал универсальный закон роста, базировавшийся на количествен-
ном анализе, и выработал методику определения константы роста, имевшую
большое прикладное значение. Одновременно изучал развитие качественных
признаков в онтогенезе и показал всю сложность и генотипическую обуслов-
ленность их формообразовательных взаимозависимостей. Он обогатил мате-
риалистическую теорию эволюции Ч. Дарвина разработкой проблемы
целостности организма в индивидуальном и историческом развитии,
введением теории стабилизирующего отбора и исследованием механизмов
как эволюционного процесса, так и индивидуального развития в качестве
авторегулируемых систем. Этими достижениями Шмальгаузен предвосхитил
ряд положений кибернетики, с позиций которой он в 1950—60 гг. изложил
эволюционную теорию.

С. С. Четвериков (1880—1959) — выдающийся русский биолог,
генетик-эволюционист, сделавшего первые шаги в направлении синтеза мен-
делевской генетики и эволюционной теории Ч. Дарвина. Первым организовал
экспериментальное изучение наследственных свойств у естественных попу-
ляций животных, что позволяет назвать его основоположником современной
эволюционной генетики. Его работы, особенно основной труд — «О неко-
торых моментах эволюционного процесса с точки зрения современной
генетики», легли в основу синтетической теории эволюции (СТЭ). Позже
СТЭ была развернута в работах целой плеяды ученых. Д. Б. С. Холдейн
(1892-1964), сэр Р. Э. Фишер (1890-1962) и С. Г. Райт (1889-1988) —
английские биологи и эволюционисты, создали математический аппарат
популяционной генетики в рамках СТЭ — математическую теорию дрейфа
гена и сцепления наследственных факторов. Кроме того, они занимались
исследованиями в области молекулярной и биохимической генетики, иссле-
довали количественную сторону естественного и искусственного отбора, рас-
смотрели популяцию как элементарную единицу эволюционного процесса.

М. Кимура (1924—1994) — японский биолог, автор нейтральной
теории молекулярной эволюции. Развивая эту теорию, Кимура объединил
теоретическую популяционную генетику (разработанную Фишером, Хол-
дейном и Райтом) с данными молекулярной эволюции и предположил, что
случайный дрейф выступает важнейшим фактором изменения генных частот
в популяции. Эта теория принесла Кимуре громкую славу и за пределами
популяционной генетики, сделав его одним из известнейших эволюцио-
нистов. Кроме того, Кимура известен в генетике благодаря введению про-
грессивного использования диффузных уравнений для расчёта вероятностей
закрепления полезных, вредных и нейтральных аллелей.

Н. Н. Воронцов (1934-2000) — советский учёный-зоолог, эволюцио-
нист, эколог и генетик. Область научных интересов: систематика млекопи-
тающих, генетические методы в систематике, кариосистематика, зоогео-
графия, эволюционная морфология, теория эволюции, история науки.
Основной вклад в науку: открытие хромосомного видообразования, при-
менение в систематике млекопитающих хромосомного, генетического и
некоторых молекулярно-биологических методов, открытие неравномерности
темпов эволюции органов одной системы и формулировка принципа компен-
сации функций.

А. Л. Чижевский (1897—1964) много лет занимался исследованиями
по проблеме влияния космофизических процессов на земные, т.е. гелиоби-
ологией, влиянием аэроионов на живые организмы и биофизикой эритро-
цитов. Фактически Чижевский стал основателем гелиобиологии и хроно-
биологии, многих научных направлений, связанных сегодня с изучением
воздействия аэроинов, слабых электромагнитных полей на живые организмы,
космофизических воздействий.

Особо следует выделить ряд основоположников важнейших научных
гипотез о происхождении жизни.

С. Аррениус (1859-1927) шведский физикохимик, автор теории
электролитической диссоциации и нобелевский лауреат (1903), также
известен тем, что выдвинул теорию панспермии. Гипотеза утверждала, что
жизнь не могла зародиться на Земле (действие «принципа Реди») и была
привнесена из космоса. Эта теория существовала со времен Аристотеля, если
не раньше. В толковании Аррениуса она гласила, что рассеянные в мировом
пространстве зародыши, так, например, споры микроорганизмов, пере-
носятся с одного космического тела на другое с помощью метеоритов или
под действием давления света.

А. И. Опарин (1894—1980) в 1922 г. сформулировал
естественнонаучную или как, тогда говорили, «материалистическую» теорию
происхождения жизни — возникновения клеток из коллоидных капель —
коацерватов в «первичном бульоне» океана. Отчасти эту гипотезу подтвер-
дили опыты Знаменитый эксперимент, поставленный в 1953 г. С. Л. Мил-
лером (1930-2007), дипломником Гарольда К. Юри (1893-1981) заключался в
попытке воспроизвести синтез простейших биоорганических соединений при
воссоздании условий, существовавших на «заре творения» биосферы на
древней Земле. Эксперимент показал, что органические соединения (в том
числе аминокислоты) теоретически могли формироваться из неорганических
соединений в условиях древней Земли. Жизнь вокруг нас основана на атомах
углерода, водорода, азота и кислорода, а также фосфора и серы. В
протоатмосфере также присутствовали СН4, СО, СО2, N2, Н2 , NH3 и H2S. Для
нее были характерны электрические бури, ионно-молекулярные реакции в
атмосфере и достаточно сильная радиация. Атмосфера первозданной Земли
не имела озонового экрана, задерживающего солнечный ультрафиолет. Было
доказано, что в первичном океане могли возникнуть предпосылки возник-
новения живого физико-химическим путем.

Необходимо вспомнить выдающегося физика-теоретика австрийца
Э. Шрёдингера (1887-1961), чье имя неразрывно связано с созданием
волновой механики, сформулировавшего ее основное уравнение (уравнение
Шрёдингера). Основывал свои взгляды на представлениях об апериоди-
ческих кристаллах, термодинамике и матричной концепции. Свои мысли он
изложил в книге «Что такое жизнь? С точки зрения физика», во многом
определившей основные идеи теоретической биологии и биофизики.

Колебательное поведение биологических систем всех уровней, из-
вестное с незапамятных времен, занимало умы не только биологов, но также
химиков и физиков. Обнаружение в XIX в. колебаний в ходе химических
реакций впоследствии привело к появлению первых аналоговых моделей,
таких как «железный нерв», «ртутное сердце». Один из основателей
физической химии В. Ф. Оствальд (1853-1932) отметил необычайное внеш-
нее сходство реакции растворения железной поволоки в азотной кислоте и
динамики распространения нервного возбуждения. Одной из моделей
"ртутного сердца", описанной в 1903 г. соотечественником и коллегой
Оствальда, также членом-корреспондентом Петербургской АН Г. Бредигом
(1868-1944), явилась пульсирующая ртутная капля, на поверхности которой
происходило периодическое образование и растворение пленки окисла.
Наблюдающиеся при этом волновые движения поверхности капли внешне
поразительно напоминали биение сердца.

В серии работ 1910—1920 гг. А. Лотка развил математическую модель,
основанную на законе действующих масс, включающую одну автокатали-
тическую реакцию и способную описать затухающие колебания и
автоколебательную реакцию. Затем он описал модифицированную модель с
двумя автокаталитическими стадиями и использовал ее уже не только для
описания химических, но и популяционных колебаний в системе "жертва —
хищник". В 1931 г. итальянский математик В. Вольтерра (1860-1940) неза-
висимо предложил и исследовал подобную же модель, которая и до насто-
ящего времени остается базовой при описании эколого-популяционных
взаимодействий. Заметим, что в те же годы появились экспериментальные
работы, ставившие своей задачей проверку применимости модели в биологии.
Так микробиолог академик Г. Ф. Гаузе (1910—1986) в 1936 г. опубликовал
работу по исследованию колебаний численности популяций у простейших.
Он исследовал проблемы экологии, эволюционной теории и цитологии, раз-
работал основы современного учения об антибиотиках. Принцип конку-
рентного исключения Гаузе определил важность трофических связей, как
основного пути для потоков энергии через природные системы.

В 1955 г. И. Р. Пригожин (1917-2003, род. в Москве) показал, что в
открытой системе колебания возможны около стационарного состояния,
достаточно удаленного от термодинамического равновесия: колеблется толь-
ко величина скорости производства энтропии, а ее знак всегда остается поло-
жительным. Крайне важный критерий сопряжения энергетических потоков и
массопереноса в системах с разной степенью симметрии был сформулирован
в принципе Кюри-Пригожина в конце 40-х годов, а несколько позже При-
гожиным было показано, что стационарные состояния систем при определен-
ных ограничениях характеризуются минимальным производством энтропии.

Последовательным сторонником термодинамической специфики
живых организмов был советский биолог Э. С. Бауэр (1890—1942). Главный
его труд «Теоретическая биология» (1935 г.), основан на представлении об
особом состоянии молекул «живого белка». Основная концепция Бауэра
формулируется следующим образом: «Все и только живые системы никогда
не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии
постоянно работу против равновесия, требуемого законами физики и химии
при существующих внешних условиях». Применительно к биологии,
принцип устойчивого неравновесия позволил Бауэру создать стройную
теоретическую систему, которая следствием основного постулата имела
обмен веществ и ассимиляцию, раздражимость, деление клеток, их рост и
старение. Фактически, Бауэр в части своих рассуждений устойчивое неравно-
весне организмов рассматривает как следствие их термодинамической
открытости, из-за чего происходит удаление живых систем от равновесия (в
основе — циклический процесс с обратными связями первоначального «па-
дения» системы из неравновесного состояния и последующего процесса
«деградации пищи»).

Значительное число ферментативных реакций включает сопряжение
двух или более процессов, энергодонорных и энергоакцепторных, свя-
зывающих разные химические превращения или химические превращения с
процессами переноса. В случае, когда энергетически невыгодно независимое
спонтанное протекание всех этих процессов, а сопряженное — возможно, для
описания систем, незначительно удаленных от термодинамического
равновесия, используются линейные феноменологические соотношения. Они
были предложены в 1931 г. Ларсом Онзагером (1903-1976), разработавшим
основу теории необратимых химических процессов (теорема Онсагера)
Теория Онсагера (1931 г.) позволила выявить важные общие соотношения в
неравновесной термодинамике в линейной области вблизи состояния
равновесия.

В. И. Вернадский (1863-1945) — основатель геохимии, биогеохимии,
радиогеологии первым предложил комплексный подход к изучению окру-
жающей среды, основывающийся на взаимодействии биологии, геологии,
химии. В литературе за Вернадским закрепилось авторство понятия «ноо-
сфера». В действительности, понятие «ноосфера» ввел французский фило-
соф Э. Леруа (1870-1954. Исходя из бергсоновской идеи жизненного порыва,
Леруа считал, что с появлением человека как носителя разума эволюция
биосферы приобрела качественно новый характер, а именно — переход от
биосферы к ноосфере, сфере разума.

Н. Н. Моисеев (1917—2000) — обосновал необходимость коэволю-
ционного развития человеческого общества, включая все социально-
экономические и политические механизмы биогеосферы.
4. От атомов к молекулам и биологическим
структурам

Совокупность всех живых организмов образует живую оболочку Земли,
или биосферу. Она охватывает верхнюю часть литосферы, тропосферу и
гидросферу. Это самоорганизующаяся система. Без учета бактерий, основной
объем массы живой материи приходится на растительный мир, он составляет
80% от биомассы планеты. Условия, необходимые для жизни:

•	Наличие источника энергии

•	Умеренная температура

•	Наличие кислорода и углекислого газа в определенной концентрации

•	Наличие достаточного количества воды

•	Наличие минеральных веществ

Есть исключения среди микроорганизмов. Экстремофилы — так
называются существа, способные жить и размножаться в экстремальных
условиях: при чрезвычайно высоких либо низких температурах или давлении,
отсутствии света и тд. Анаэробы — организмы, получающие энергию от
окисления органических веществ, при отсутствии доступа кислорода или его
ограничении.

Хемолитотрофы — группы микроорганизмов, у которых источником
энергии служат процессы окисления неорганических соединений (5 основ-
ных групп).

1.	Нитрифицирующие бактерии используют в качестве источника энер-
гии восстановленные неорганические соединения азота;

2.	Бактерии, окисляющие соединения серы (серные бактерии), использу-
ют в качестве источника энергии H2S, элементарную серу (S0) или ее
частично восстановленные окислы;

3.	Железобактерии окисляют восстановленное железо или марганец;

4.	Водородные бактерии используют в качестве источника энергии моле-
кулярный водород;

5.	Карбоксидобактерии (карбокситрофные бактерии) используют окись
углерода в качестве единственного источника углерода и энергии
Сначала рассмотрим, из чего сделаны живые организмы. Молекулы
органических веществ состоят, в основном, из легких атомов Н, С, О, N.
Заметим, что эти атомы также наиболее распространены в космическом
пространстве, поскольку их распространенность падает в среднем экспонен-
циально с ростом порядкового номера элементов. Посмотрим, где они нахо-
дятся в периодической таблице элементов, и кратко опишем их свойства.
Атом водорода — самый простой элемент, состоящий из одного протона и
одного электрона. Заметим, что химические процессы определяются, в
основном, взаимодействиями электронов внешних оболочек.

Номер элемента означает количество протонов ядра и электронов
нейтрального атома. Атомы углерода, азота и кислорода соседствуют в
таблице Менделеева, находятся во втором периоде (строке) и содержат 6, 7 и
8 электронов соответственно. Масса атома определяется массой протонов и
нейтронов и монотонно растет с увеличением номера элемента. Размер атома
определяется электронной оболочкой. Его определение неоднозначно и
зависит от многих факторов, например, как они связаны с соседями,
насколько ионизованы, находятся в основном или возбужденном состоянии.
В связи с этим радиусы атомов различают на Ван-дер-Ваальсовы, ионные,
металлические и ковалентные. Так, например, ковалентный радиус атома
соответствует половине длины ковалентной связи между двумя одинаковыми
атомами. Ковалентный радиус атома углерода равен 0,077 нм. Ван дер
Ваальсов радиус определяется как расстояние между центрами соседних
атомов в конденсированном состоянии вещества, несвязанными между собой
химической связью.

Можно отметить общие закономерности изменения радиусов атомов в
периодической системе. Расчет радиусов нейтральных изолированных атомов
на основе теоретических моделей предсказывает увеличение размеров атомов
с ростом периода (строки) и уменьшения с ростом номера группы (столбца)
вплоть до 6-го периода за исключением лантаноидов. Эмпирически
определенные ковалентные радиусы также подчиняются этой законно-
мерности, но небольшие особенности начинают наблюдаться у элементов с
электронами, заполняющими ^/-орбитали, а также отсутствует информация о
ковалентных радиусах элементов с полностью заполненной электронной обо-
лочкой. Отметим, что сферической симметрией обладают только s-орбитали
электронной оболочки, однако принятое приближение сферического атома
позволяет оценить многие физические характеристики. Более точные ответы
дает, несомненно, квантовая механика. В целом, радиусы всех изолирован-
ных нейтральных атомов лежат в диапазоне 30—300 пм.

Приведем некоторые важные количественные величины и опреде-

ления.

Размер	Масса
протон (нейтрон) — около 2,5х 10-15 м	1,6726 (1,6750)х10“27кг
электрон не более 10-18 м.	1,ЦхЮ“31кг
атом — 1x1O“1o-5x1O'1om	Атом Н — 1,67x10’27кг
Атомная единица массы (а.е.м.) 1/12 часть массы атома углерода 12С
(углеродная шкала) 1 а.е.м. = 1,66х10-27кг

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ХИМИЧЕСКИХ
ЭЛЕМЕНТОВ Д.И.МЕНДЕЛЕЕВА

ПЕРИОДЫ	РЯДЫ	ГРУППЫ э							ЛЕМ		E H T О В								
		1	II		III	IV		V	VI		VII 	 VIII								
1	1	Н 1QDW  Hydrogcjiium Ведеред											He .Jf  Hchuni Гелий			-.Ц'Г			
2	2	Ll &.84?  Lilhun  ЛитМк	Rp  «	9.D122  Зег>11шгп  БерипПий		1 U io.su  Edtut  Enpi	Г eu;  V	12.011  Catnxieum  УглерЦц		N ш  14	14.907  Nilrcpanium Дзот	О  СиуяЕтигп		C	EC;  1В.ЗЭ0 Fluorum Фтор		Np ra;  14 V 28.173  Neon Неон				Ar  ГЛ1 39.MB '  Atgwi Аргон		
3	3	N3 22ЙГ’ hatriuni Натрий	Mg ^зм  Magnesium Магний		Al  ГЛ1 2B.M2   Aljminiurr-  Дпцгыичий	Si  SiitiLm  Кремний		P	rial;  г	30.974 ’  Pits phon* ОисФч»			Cl 35^7’  Chlonum Xrwp		Ar Гав:  Г41 ЗЗЛ4Я  Ar pm Apron			HilKiei yeufcni  W.c-Ч  »«рсжт»мгаг рм>Р1			
																			
4	4	К 39.D9B1  Kaium Калий	СЗ  Cakurn  Кальций		Qr  * 44.958 *Jv  Scarrilurr:  Скандий	HL Ti  TIlBnlLHl Титан		PU V  Ц'БЛЕсПиГП Ванадий	1 51J9M VI Chromium Хром		PUMn  UBnparrjm Марганец		Fe r 55.847 Г C  Farium Жалаао			й=_ pn  1 58.933 WV  Ccbaltum Кобальт		KI  t 58.85	141  Nunrium Никель	
	5	t С и  CjpTjm Мзды	PD 7n   «.за I -11  Zlncum I Цинк		Ga ил1  ' Gallium Гвлгий	Ge Germanium Германий		Де ,3]lj  FAO 7М2Иг №enlcum Мышьяк	Se И.!М  Eelenkjm Сапен		Rr гйм  Г 11	79.904 '  Bncmum  Бром		КГ 83Л0 ''  Kry рил Критом						
5	6	Rb 85.467 ?  Rubxlium	1  Рубидий	w! вт.аг?  Slrcdlium	1  Сцкгнций		Г39 1	V  ? B8.906  YUaiurn  Иттрий	Lsi.H Zr 1	Zirconium  Цнргоний		1 9M0fi Nb  !	Nieblum  Ниобий	Г"ф. Mo z MGlybdsenum Молибден		Tr  ‘ 4S.M62 1 !	TfeclYielkim  Технеций		Ru  1	Ruthheoiim  Рутений			?1M.9O5sRh  ±	РГдйигп  Радий		Г2» Pd  Palauium Палладий	
	7	 1Г7.В7 AQ 11	Argfeil.um  Серебро	FiL, Cd 1	Cridfrium  Кадмий		In 111	114.S2 '  Indium  Мидий	Sn hmo:-  $|ДОПИИ1 Олово		Sb 1Я1.5;  pligiijr	1  Сурьыл	1 G 127.G ?  i dunum	1  Теллур		I	,EJ:;  1	12B.5D ;  IpcJurrt ЙВД		Xp  лс 1J1.2B   Хсйдп	1  Ксенон						
6	8	CS 1зйГ::  CflsiijT	'  Цезий	Ra ы	1373.3::  Sariim	*  Барий		fsi La*  - 138-995 — °  !	Lanthanum  Лантан	RL Hf  I	Hafniwri  Гафний		? 1МД547 Ta  !	Tantalum  Тантал	1AI  1B3.B  I	WbHrarnium  Вольфрам		: 1М.КЦ Re  !	Rhnnum  Рений		; Sgoiz OS ‘	Osrnurn  □смий			ГЛИ	|r  ” 192J2 II  J	Iritlijrri  Иредий		££l Of Г 1В5ЛВ 1 L  '	Platinum  Платина	
	9	.;Тм.эт AU  t	Aurum  ЗдрпТ*	S Hg  J Hydraiwum  Ртуть		T|	lEi  1 1	2D4.3S »  Thallium	}  Т^лпий	Pb  F'ijmbum	!  Свинец		Bl 2183  Bsmulhjm	!  Висмут	Pn  r V [2M] 5 Ptikmium	!  Прлоннн		At ftEtabum	;  ActWt		Rn  Rattan	;  РВДон						
7	10	Fr  Francium  Франций	’	TbJJ 236,02« flsrium Родий		д«** Й [227] г»1* “	Actinium  1	Акшний	Rf  R'jtherfardiun 1 Резярферций		HL, Db bibnium 1	Губнчй	Sg  Seeijoigiuni 3	Cn&?pniM		Rk Bh  BcHrijm Барий		И?65] Hs ”	Hbsaiurn  Гасий			Й™й] Nit Meitnerium т	Мейтнернй		De  S; [I7fl Lb “ Darmstadtiurn 1 Дармипчдпчй	
ЗЫСИ1ИЕ оксиды  ЛЕТУЧИЕ ЕОЛОРОДИЫГ СОЕДИНЕНИЯ		БО	EO		ЕзОз	eo2	E20s  eh4	eh.			EO3  h2e		E,O, HE		eo4						
ЛАНТАНОИДЫ		= 1H11Z	" 14J01 Pf  1	C4»lf ;  Цгрнй	Иршс-одеи		{ 144.2 Nd е[141] P1T1 q imf Sm "	чмфп<га|3	;	&jnnvn  Hjmiw 1		Стмдрнй			itsi.3T Ell i“pl Gd "	;	C-®fc»iLn-  ЕП|>МШЙ	FlUWlltlrf		:! 1MJH ТЬ Ttptafi	«U-J j 1«.	 Dy.  ^tn« .	i'iww HO ;	wn im  rulLUtf		Piha Er Эр^нй	?	mt Yb	-	1WF,,. Lu  	n.^jni	i	muMiT	;	Linrtjn  	 Тгп«й 	Hrraptild	Литчей				
АКТИНОИДЫ		Hi™ Thf-^Pa ?	ihi-.-rr  ‘	Tprti ! ГТптжш.им		t'wiw	U’Imt.mi Np	Pu  1	ГТг1т.->гт1  Чин 1	нягпжт 	пп,тп"НЯ			Iwa Am aVuKuCni !	cu-vr  '		U«HI		i air.043 Bk БГртгиН	Cf  J киифергнй		Няллв  T	L":ir*ilir  ' ЭмпиГЬН!		psMisiFm	iJ!5iw Md	No	ir'^ussi Lr  Г	Нлгъ1-Ьт4.1Г1	;	Н-М1Л-	I1	Lmr^rcvT   №шн1га<и 1	НгЛнпя		Гцдаигий				

Моль — основная единица в системе СИ

Один моль — количество вещества, содержащее 6,02214076-1023
частиц (атомов, молекул, ионов, электронов или любых других объектов)
с 1 января 2019 г

Число Авогадро, Na — физическая величина, численно равная
количеству специфицированных структурных единиц (атомов, молекул,
электронов или любых других частиц) в 1 моле вещества. (Ранее опре-
делялось как количество атомов в 12 граммах чистого изотопа углерода 12С).

Относительная масса элемента — отношение массы элемента к
1/12 массы атома углерода 12С — именно эта величина записана в пери-
одической системе элементов Менделеева.

Молярная масса — это масса 1 моля вещества, выраженная в г/моль и
равная относительной массе атома, молекулы или частицы.

Рассмотрим несколько примеров,

1.	Сколько атомов содержится в 1 карате алмаза?
Решение:

1 карат содержит 0,2 г углерода (одна из полиморф-
ных модификаций). Молярная масса углерода = 12 г/моль.

0 2г	23	22

N=----------X 6x10 атомов/моль = 10 атомов.

12 г/моль

2.	Сколько частиц содержится в 200 мг фуллерена С60?

Решение:

Молярная масса фуллерена 60x12 = 720 г/моль. N =

0,2г

720 г/моль

23	20

X 6 х 10 частиц/моль =1,7x10 частиц

3.	Сколько молекул содержится в 117 г соли NaCl.

Решение:

Молярная масса соли 23+35,5 = 58,5 г/моль.

117г	23	24

N= =----------- X 6x10 молекул/моль = 1,2x10 молекул.

58,5 г/моль

Диапазон размеров от атома до крупнейшего животного (10 10=30 м).

Атом углерода
Молекула воды
Глюкоза СДД

Фуллерен

Диаметр ДНК

Гемоглобин (66,8 кДа)
Рибосома

Вирусы

Короновирус

Бактерии

Нанобактерии

Эукариотическая клетка
Эритроцит человека
Длина ДНК человека
Длина синего кита

0,154 нм

0,30 нм

0,72 нм

0,75 нм

2нм

6,4 нм

20 нм
20-300 нм

160 нм

200—5000 нм (0,75 мм — самая большая)
»50 нм (плохо изучены)

15—20 мкм

8 мкм

~1 м

30-37 м
Сколько атомов содержит в себе бактерия E.coli (кишечная палочка)?

Представим ее в виде цилиндра дли-
ной £=2 мкм,
диаметром tZ= 0,6 мкм.

з
Плотность клетки р= 1г/см .

Объем V= Ttr2L = 0,56 мкм3.

Для оценки можем принять, что бак-
терия состоит из молекул глюкозы С
Н. О

6 12 6

Тогда, средняя молярная масса атома
А «живого вещества» будет равна:

А = (12x6 + 12x1 + 16х6)/24 = 7,5 г/моль.

Найдем плотность п атомов в клетке:

п = р (N /А) = 1 г/см3(6,02-1023 ат/моль / 7,5 г/моль) = 8-1022 ат/см3

Число атомов в бактериальной клетке:

N = V*n = 0,56хЮ“12см3х8-1022ат/см3= 4,48х1О10 атомов.

ЗАДАНИЕ 1

Найдите число атомов в сферической бактерии диаметром 100 нм.

Рассмотрим энергетические соотношения.

Ниже представлены схемы распределения электронов в атомах С, О и
N. Атомы взаимодействуют посредством внешних электронов. Они опре-
деляют валентность атомов в химических связях (возможны гибридные связи
sp3, sp2, sp, дающие 4, 3 и 2 связи)

Следует особо подчеркнуть, что атомы углерода в органических
соединениях обладают, в основном, sp3 гибридизацией, т.е. образуют 4 экви-
валентных связи с соседними атомами в тетраэдрической конфигурации.
Вокруг каждой связи возможно свободное вращение с образованием
конформации, отвечающей минимуму энергии молекулы.

Ниже представлена физическая периодическая система элементов,
отражающая распределение электронов по орбиталям. Как видно из таблицы,
с ростом заряда ядра и, соответственно, количества электронов в ряду эле-
ментов вплоть до аргона из третьего периода, последовательно заполняются
s- и /э-орбитали, но начиная с четвертого периода после заполнения 5-ор-
биталей оказывается энергетически более выгодно заполнение d-орбиталей, а
затем р-орбиталей. Элементы из этой группы важны для обеспечения фун-
кционирования многих биологических процессов, но не являются структуро-
образующими.

ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ХИМИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА

IA

1.00794

Свойства атомов химических элементов, а также состав и свойства их соединений
находятся в периодической зависимости от заряда атомных ядер

УША
18
4,00260

s-эпемент

2

3

6

4

5

водород	НА	Tf		b Атомный номер и химический символ					р-элемент			III А	1	I VA	[ VIA	I VIIА	1 iw  ГЕЛИЙ
	2											13	1 14	I 15	I 16	17	
6,941 з Li литий	9,0121В  Be  БЕРИЛЛИИ		ТЕЛЛУР Название элемента ® «— Радиоактивный элемент						d-элемент  ^элемент			10,811  5В БОР	12,0107 sC УГЛЕРОД	14,0067 zN АЗОТ	15,9994  «0  КИСЛОРОД	18,9984 20,1797  F ю Ne  ФТОР НЕОН	
22,9898  11 Nd	24,3050  12 Мд											26,9815 и AI	28,0855  14 Si  ХШ'гВ'И	30,9738  15 P	32,085 1b S	35,453  17CI	39,943  18 Аг
НАТРИЙ		III в	IVB	VB	VI в	VIIВ	VIIIВ			IB	ив			ФОСФОР	СЕРА	ХЛОР	АРГОН
	MATHfUI	3	4	6	6	7	8 I	9 I	10	11	12						
39,0983  19 К КАЛИЙ	40,078  20 Са  КАЛЬЦИЙ	44,9559  21 Sc  СКАНДИЙ	47,867  22 Ti ТИТАН	50,9415 wV ВАНАДИЙ	51,9961  24 СГ  ХРОМ	54.9380  25 МП  МАРГАНЕЦ	55,845  26 Fe  ЖЕЛЕЗО	58,9332  27 СО  КОБАЛЬТ	58,6934  28 Ni  НИКЕЛЬ	63,546  29 Cll  МЕДЬ	65,38  3eZn  ЦИНК	69,723  31 Ga  ГАЛЛИЙ	72,64  32 Ge  ГЕРМАНИЙ	74даб  j As МЫШЬЯК	78,96  34 Se  СЕЛЕН	79,904  35 ВГ  БРОМ	83,798 зб Кг КРИПТОН
85,467В  37 Rb  РУБИДИЙ	87,62 saSr СТРОНЦИЙ	88,9058  39 Y  ИТТРИЙ	91,224 «Zf ЦИРКОНИЙ	92,9064 «Nb НИОБИЙ	95,96  42 МО молмедён	[98}	101,07  43 ТС 44 Rll  ТЕХНЕЦИЙ РУТЕНИЙ		102,905  45 Rh  РОДИЙ	106,42 107,868  46 Pd 47 Ад  ПАЛЛАДИЙ СЕРЕБРО		112,411  48 Cd  КАДМИЙ	114,818  49 If!  ИНДИЙ	118,710  50 Sn  ОЛОВО	121,760  Sb  СУРЬМА	127,60  52 Те  ТЕЛЛУР	126,904 131*293  53I яХе  ИОД КСЕНОН	
132,905  55 Св  ЦЕЗИЙ	137,327  56 Ва  БАРИЙ	138,906  57 La  ЛАНТАН	178,49 »Hf ГАФНИЙ	180,948  73 Та	183,84  74W  ВОЛЬФРАМ	186,207  75 Re  РЕНИЙ	4ВДЗ  76 Os осмий	192,217  77 If  ИРИДИЙ	195,084 196,967  78 Pt 79 AU  ПЛАТИНА ЗОЛОТО		200,59  во Нд  РРЪ	204,383 «TI ТАЛЛИЙ	207,2  82 РЬ  СВИНЕЦ	208,980  83 Bi  ВИСМУТ	да  84 РО  ПОЛОНИЙ	[2101  85 At  АСТАТ	[222] вб Rn радон
да  Vr  ФРАНЦИЙ	[226]  « Ra РАДИЙ	[227]	[267]  89 AC 104 Rf  АКТИНИЙ РЕЗЕРВ		или 105 Db ДУБНИЙ	[271]  106 Sg СИБОРГИИ	[274]  107 Bh  БОРИЙ	[277] wsHs ХАССИЙ	[278]	[281]  да Mi 110 Ds МЫТНЕРМЙ ДАРМШВДПЙ		£281] fflRg РЕНТГЕЛИЯ	да 112 Сп ИЭПЕРИМ	да из Uut	[289] I2B9J  114 Fl 11 Uup  ФГ£РЖ1Й		[293]	[294]  116 Lv 117 llus		Й4] пв1Аю
				140,116 Со ЦЕРИЙ	140,908  Рг  ПРАЗЕОДИМ	144,242  Nd  НЕОДИМ	[145]	150,36  Pm Sm  ПРОМЕТИЙ САМАРИЙ		151,964  Ей  ЕВРОПИЙ	157,25  Gd  ГАДОШПИЙ	158,925 ть ТЕРБИЙ	162,500 164,930  Dy Но  ДИСПРОЗИЙ ГОЛЬМИЙ		167,259  Er ЭРБИЙ	168,934  Tm  ТУЛИЙ	173,054 174,97  Yb Lu  ИТТЕРБИЙ ЛЮТЕЦИЙ	
				232,038  *Th  ТОРИЙ I	231,036  *Ра  ПР0ТАК1Ш	238,029  УРАН	[237]  *Np НЕПТУНИЙ	[244]  J Ри  ПЛУТОНИЙ	[243]  Ат  АМЕРИЦИЙ	'247]  Ст  КЮРИЙ	[247]  ?‘Вк  БЕРКЛИЙ	[251]	[252] [257]	[258]	[259] 260,11  Cf Es Fm Md No кг  ФЕРМИЙ МЕНДЕЛЕВИЙ НОБЕЛИЙ IftW					

Ведущую роль в электрофизиологии и энергетике клетки играют ионы
натрия и калия, а в регуляции многих процессов ионы кальция и магния, но
это предмет специального рассмотрения.

Вернемся к структурообразующим элементам С, О и N и рассмотрим
энергии взаимодействия в ковалентных и нековалентных связях, обеспечи-
вающих образование разнообразных биополимеров и надмолекулярных
структур.
Энергия связи двухатомных молекул — ковалентные (химические)
связи

Для сравнения

энергия теплового движения при 300 К равна

2,47 кДж/моль.

Тип связи	Энергия, кДж/моль	Расстояние, нм	Тип связи	Энергия, кДж/моль
с-с	350	0,154	о-н	460
С С	620	0,134	N-0	200
С = С	840	0,120	0-0	146
C = N	615	0,134	0-0	495
N = N	943	0,110	Si-0	370
с-о	690	0,117	С-0	340

Проанализируем представленные данные. Наиболее распространенная
одинарная связь С—С в органических соединениях обладает энергией,
многократно превышающей энергию тепловых колебаний, поэтому очень
стабильна. С увеличением кратности связей, растет их энергия. Наиболее
энергонасыщенной является тройная связь в молекуле азота. Увеличение
энергии связи коррелирует с уменьшением межатомного расстояния. Кова-
лентные связи обеспечивают структурную целостность последовательности
атомов и молекул в биополимерах. Напомним, что вокруг одинарных связей
возможно вращение атомов, что приводит к образованию сложных
пространственных структур. За стабилизацию таких структур отвечают неко-
валентные взаимодействия.

Эти силы называют силами Ван-дер-Ваальса. К ним относятся диполь-
дипольные, поляризационные и дисперсионные взаимодействия. Но атомы
электронейтральны. Как могут возникнуть эти взаимодействия? Рассмотрим
еще одно свойство, появляющееся в двухатомных молекулах. Электро-
отрицательность атомов — это величина, пропорциональная способности
атомов притягивать к себе электроны других атомов в химической связи. По
шкале Л. Полинга самыми сильными окислителями являются фтор F (4),
затем кислород — О (3,44). Ясно, что величина электроотрицательности
является периодической функцией, отражающей характер заполнения
внешней электронной оболочки. Ниже приведены эти величины для наиболее
распространенных элементов в биологических системах.
Элемент	Электроотрица- тельность	Элемент	Электроотрица- тельность
к	0,82	н	2,1
Na	0,98	р	2,19
Li	0,99	с	2,55
Са	1,00	S	2,58
Mg	1,31	N	3,04
Мп	1,55	Вг	2,96
Fe	1,83	С1	3,16
Си	1,90	О	3,44

Различие в электроотрицательности атомов приводит к появлению
дипольного момента молекул. По определению, если отрицательный заряд,
равный заряду электрона (1,6х 10-19 Кл), и такой же положительный заряд
находятся на расстоянии 0,1 нм, то дипольный момент равен:

ц= 1,6х10-19х10-10= 1,6х10“29 Кл-м.

Дипольные моменты двухатомных молекул чаще выражаются в дебаях
(Д), поскольку их дипольные моменты близки к 1 Д = 3,3x10-30 Кл-м. Ряд
примеров приведен ниже.

Химическая связь	Дипольный момент	Химическая связь	Дипольный момент
			
			
			
			
			
			

Соотношение величин электроотрицательности определяет направ-
ление дипольного момента. Отрицательный заряд будет на более электро-
отрицательном атоме. Дипольный момент молекулы, содержащей более двух
атомов, зависит как от полярности связей, так и от молекулярной геометрии.
При наличии центра симметрии дипольный момент целой молекулы
отсутствует. Молекулы, обладающие дипольным моментом, называют
полярными. Неполярными могут быть и большие молекулы—полимеры.

Примеры молекул с сильно полярными связями и нулевым дипольным мо-
ментом: оксид углерода О = С = О, трифторид бора, тетрахлорид углерода, гекса-
фторид серы.

ЗАДАНИЕ 2

Назовите молекулы, обладающие дипольным моментом.

Н2О СО2 СН4 N2 СО NH3

От молекулы к конденсированному состоянию вещества.

Межмолекулярные взаимодействия.

Наиболее дальнодействующими являются электростатические
взаимодействия.

Характер зависимости энергии взаимодействия от расстояния
приведен ниже.
Ион — ион	U ос -

Y

Ион - диполь	U ос —

1
Диполь - диполь (вдоль оси) U ос —

Для свободно вращающихся диполей при учете температурного
воздействия необходимо провести усреднение, которое приводит к
увеличению степени знаменателя в энергии взаимодействия.

1

Ориентационное (диполь - диполь) U ос —

Такое взаимодействие называется ориентационным и входит в общее
понятие Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий.

Электронная оболочка нейтрального атома вблизи соседнего заряда
может поляризоваться, т.е. изменить исходную симметрию, что приведет к
появлению индуцированного дипольного момента. Величина энергии
взаимодействия такого типа, называемого индукционным, зависит от
поляризуемости конкретного атома, но зависимость от расстояния
аналогична ориентационному взаимодействию.

ч 1

Индукционное	U ос —

В Ван-дер-Ваальсовы взаимодействия входят также дисперсионные
взаимодействия, имеющие квантовомеханическую природу и связаны с
наличием нулевых колебаний электронов. Этот тип взаимодействий имеет
аналогичную зависимость от расстояния между атомами.

1

Дисперсионное	U ос —

Энергия Ван-дер-Ваальсовых взаимодействий лежит в диапазоне 10—
20 кДж/моль

Модельные парные потенциалы межмолекулярных взаимодей-
ствий.

Общий смысл — описать
отталкивание на близких.

притяжение на больших расстояниях и

Взаимодействие Леннарда-Джонса: U = В/г12 - С/г6
Пример

В уравнении Леннарда-Джонса для парного потенциала U(r) = В/г12 - С/г6
даны коэффициенты В=10г134Дж-м12, С=1О~77Дж-м6

Постройте графически качественно:

а)	функцию потенциальной энергии парного взаимодействия от
расстояния;

б)	функцию силы взаимодействия от расстояния.

Вычислите:

а)	равновесное расстояния между атомами и соответствующую
энергию системы;

б)	максимальную силу притяжения;

в)	расстояние, соответствующее максимальной силе притяжения.

Решение.

Равновесное расстояние го

dU/dr = -12B/r13 + 6C/r7=0	г06 = (2В/С)	г0= (2*1СГ57)1/6 = 0,35х10"9м

U(ro) = (10-134/(2хЮ-57)2)-(10-772х10-57) = 0,25 хЮ-2°-0,5х IO"20 = 2,5х10~21 Дж

Сила взаимодействия F = — dU/dr = 12В/г13 — 6С/г7

Расстояние п, соответствующее максимальной силе притяжения Fm

dF/dr = -156B/r14 + 42C/r8 = 0	и6 = (26В/7С) п = 0,39 нм

Fm = 1,9х10-п Н=19 пН

Огромную роль в построении биомакромолекул играют водородные
связи.

Водородной связью называется связь, образованная положительно
заряженным водородом молекулы (или полярной группы) и
электроотрицательным атомом другой или той же молекулы, является
разновидностью донорно-акцепторной связи. Образует «мостик» между
двумя электроотрицательными атомами. В биологии — это атомы О, N, Р, S.

Например О — Н ••• О, N — Н ••• О или N— Н ••• N

Водородные связи, в отличие от Ван-дер-Ваальсовских, очевидно,
обладают направленностью и характеризуются более высокими энергиями
связи, лежащими в диапазоне 16—40 кДж/моль. С помощью водородной связи
образуется димер воды с энергией связи около 20 кДж/моль. Эта энергия
равна примерно двадцатой части энергии ковалентной связи О — Н. Рас-
стояние между двумя атомами кислорода в этом комплексе равно примерно
2,76 А. Оно меньше сумм вандерваальсовых радиусов атомов кислорода, рав-
ной 3,06 А.

Водородные связи могут быть симметричными при одинаковых
электрондонорных атомах и несимметричными. Характеризуются двухъ-
ямным потенциалом. F-H***F сильная водородная связь, характеризуется

одноямным потенциалом.

Примеры образования множественных
водородных связей. Справа двойная спираль ДНК,
стабилизированная двумя водородными связями в
парах аденин-тимин (А—Т) и тремя связями в
парах гуанин-цитозин (Г-Ц)

Взаимодействия Ван дер Ваальса в макроскопических системах.

Вычисление энергии взаимодействия незаряженных макроскопических
объектов было впервые выполнено путем интегрирования парных потен-
циалов. Результаты этих вычисление для взаимодействующих тел разной
формы приведены ниже. Поскольку расстояние между телами всегда боль-
шое, по сравнению с межатомным расстоянием, отрицательная энергия взаи-
модействия означает наличие силы притяжения. Для сравнения дана формула
для дисперсионного взаимодействия двух атомов на большом расстоянии.

Два атома

U ОС - —

•у О

Две сферы срадиусами Ri и R2, расстоянием между ними D,
А — константа Гамакера, равная А=10-19Дж.

А

U = -6D(R1 + R2)

Сфера и плоскость

AR

U“ ~6D

Два цилиндра с параллельными осями с радиусами Ri и R2,
высотой L, расстоянием между ними D.

AL / RjR2 \1/2

U =--------~ (-------)

12V2"l>2 ^1 + ^2/

Два скрещенных цилиндра (оси перпендикулярны)

_ Ад/

U“ 6D

Две бесконечные плоскости (на 1кв. метр)
А

U 12тг£)2

ЗАДАНИЕ 3.

Две одинаковых сферы из пластика плотностью 1000 кг/м3 радиуса R
находяся на расстоянии D = 0,5 R друг от друга. Пользуясь формулой для
потенциала взаимодействия двух одинаковых сфер U = -  и принимая

константу Гамакера А=10 19Дж, оцените при каком R силы грвитационного и
ван-дер-ваальсовового притяжения будут равны.
Ящерица геккон
массой 50—120 г и
более может бегать по
стенам и потолку.
Возможная частота
прилипания-
отлипания пальцев ног
до 15 раз в секунду.
Как это ей удается?

Пальцы её
лапок покрыты
множеством очень
тонких щетинок
длиной до 100 мкм.
Более того, концы
щетинок расходятся на
еще более тонкие и
оканчиваются
«лопаточкой»
размером 0,2 мкм
(электронные микро-
фотографии).
ЗАДАНИЕ 4.

Найдите максимальную силу притяжения лапок геккона к гладкой
поверхности используя приближение взаимодействия сферы с плоскостью
U=-AR/6D, где:

константа Гамакера А= 10 ~19Дж,

радиус «лопаточки» R = 0,2 мкм,

расстояние между стеной и «лопаточкой» D = 1 нм,
число «лопаточек» на ноге геккона (1 см2) п = 2*109.

Эксперимент Андрея Гейма (лауреат Нобелевской премии по физике за
графен, 2010 г.) по созданию гекконоподобной липкой ленты без клея был
опубликован в Nature Materials 2, 461463, 2003. Согласно полученным дан-
ным, чтобы оторвать от гладкого стекла образец плёнки размером 1><1 см,
требуется усилие около 3 Н. И хотя это меньше, чем сила адгезии, разви-
ваемая лапками геккона, всего 200 см2 такого «гекко-скотча» (размер
4.	От атомов к молекулам и биологическим структурам 51
половины школьной тетради) будет достаточно, чтобы удержать на весу
взрослого человека.

Силиконовая бесклеевая плёнка Gecko Nanoplast размером 20x20 см с
плотностью микроворсинок 29 000 шт./см2 способна удержать на весу
взрослого человека. Плёнка Gecko Nanoplast обеспечивает надёжное
многократное «сухое» прилипание как к гладким, так и к шероховатым
поверхностям. Разработали эту плёнку в Германии группа профессора
С. Горба из Института зоологии при университете им. X. Альбрехта (г. Киль)
совместно с компанией Gottlieb Binder.

Литература

1.	Н.Л. Глинка. Общая химия (есть в интернете)

2.	Д. Израелашвили. Межмолекулярные и поверхностные силы.

3.	Lydia-Ann J. Ghuneim, David L. Jones, Peter N. Golyshin, Olga V. Golyshina.

Nano-Sized and Filterable Bacteria and Archea: Biodiversity and Function.

4.	A.Y. Stark, P. Niewiarowski. The effect of surface water and wetting on gecko
adhesion The Journal of Experimental Biology 215, 3080, (2016).
5.	О клетках

и биологической классификации

Биологические отличия живого от неживого.

1.	Самовоспроизведение (связано с наследственностью и изменчиво-
стью)

2.	Обмен веществ и энергии (связан с различным составом внутри- и
вне организма)

3.	Рост и развитие (увеличение размеров и изменение строения, жиз-
ненные циклы)

4.	Саморегуляция (способность поддерживать гомеостаз, т.е. постоян-
ство внутренней среды)

5.	Раздражимость (способность реагировать на изменения окружаю-
щей среды способом, поддерживающим жизнь организма)

Наименьшая структурно-функциональная единица живого —
клетка

Он растет, развивается, делится (размножается), при этом получаю-
щиеся клетки могут немножко отличаться от нее; в ней происходит ме-
таболизм, клетка поддерживает постоянство своей внутренней среды,

реагирует на изменения среды.

Эукариотическая клетка

Ядерная оболочка
Ядро

Плазматическая
мембрана

Центриоль

Центросома

Микротрубочки

Гладкий
эндоплазматический
ретикулум

Цитозоль

Лизосома

Митохондрия

Хроматин

Ядрышко

Микро-
ворсинки

Микро-
филаменты

Шероховатый

ретикулум

Рибосомы

Промежуточные
филаменты

аппарат
Гольджи

Секреция выделяемая
клеткой при экзоцитозе
Все живые существа состоят из клеток. Это — клеточная теория. Ее
основные постулаты (сформулированы в середине 19 в. Томас Шванн, Мати-
ас Шлейден, и Рудольф Вирхов):

•	Все организмы состоят из клеток

•	Клетки всех организмов устроены и функционируют по единому плану

•	Каждая клетка — от клетки.

То, что клетки имеют единый план строения, не означает, что они
одинаковые. Они очень сильно различаются даже в пределах одного много-
клеточного тела (у человека около 230 различных типов клеток).

Этрпелиальная клетка кишечника

Строение гладкого миоцита

Строение нейрона

Нейрон состоит из тела
диаметром от 3 до 130
мкм, содержащего ядро
(с большим количеством
ядерных пор) и
органеллы (в том числе
сильно развитый
шероховатый ЭПР с
активными рибосомами,
аппарат Гольджи), а
также из отростков.
Выделяют два вида
отростков: дендриты и
аксоны.

Но наибольшее различие — между теми, у кого есть оформленное яд-
ро (например, наши клетки), и теми, у кого его нет (например, кишечная па-
лочка).
IM	ВТ	СР	4Т	ГП	С5  1	ЕС
3	«-	5	6	т	1  3	4  Я
10	1	L?	3	ц	15	16
|J	Б	IT	дс		за	тч
24		27	25	24	
besWu			* био моле кула		1 г  1 дел-м	-list га л  Ги	

Но сначала — что общего в строении всех клеток.

Свойства клетки

•	Окружена плазматической мембраной из липидного бислоя в
котором плавают белки и углеводы.

•	У нее избирательная проницаемость, она создает различие в
концентрации внутри клетки и снаружи. Это неравновесная сис-
тема.

•	Энергию производят через нуклеозидтрифосфат (например,
АТФ, самая из них распротсраненнная).
АТФ

♦ Н'.'кнгмнГ'й*^ ниГЛСИЙ

♦ Нр rwti, н Грм Щ-ТЙТИЙ
Фкфородй HKtT.'CiFh I

* >:ОГ1НРПЛйй:> ВДНЙ ЙГГЯТйОП
и «слоты МьЯЖНО ЛПЛ7ЧГТ1.

h'..lk<iJ iwprhri 40 К.Д JK.I1 Ынj ГН.

В основном энергия запасается и тратится в виде АТФ. А получают
АТФ в основном вследствие работы протонных помп (это трансмембранные
ферменты, т.е., белки, которые проходят сквозь липидный бислой мембраны,
и при этом — катализаторы). Помпы используют для синтеза АТФ градиент
протонов.

mini.....................ilium....ин...........Il..............hi.......uh....

И главное — реакция матричного синтеза. Наследственная информа-
ция содержится в виде ДНК. ДНК состоит из 4-х нуклеотидов, и так — у всех
клеток. Это, кроме прочего, указывает на их происхождение от одного предка.
Системы синтеза белка через промежуточную матрицу — РНК — тоже
принципиально одинаковые. Генетический код один (всегда — ну, или почти
всегда — одну и ту же аминокислоту кодируют определенные для каждой
аминокислоты, одинаковые у всех организмов последовательности из трех
нуклеотидов; сборка белка из аминокислот по РНК матрице называется
трансляцией, происходит с помощью РНК-ферментов (рибосом), а вот они
уже бывают разные). Ну и для размножения у всех есть полуконсервативный
синтез — ДНК состоит из двух нитей, на каждой формируется новая, и вот
ДНК удвоилась, в каждой новой — одна старая нитка, одна новая. Это все —
реакция матричного синтеза. Обычная последовательность ДНК- РНК-белков.

Итак: плазметическая мембрана, неравновесность веществ внутри и
снаружи, матричный синтез, сходные способы получения энергии.

Различия клеток

Размеры, строение, функции

Про- и эукариоты

Прокариоты: например, бактерии

Эукариоты: например, животные, растения, грибы

(Это просто знакомые названия, к современной системе живых орга-
низмов, основанной на общности происхождения, отношения не имеют).

Главное: У прокариот нет мембранных органелл.

Следовательно, цитоплазма одинаковая всюду, отделов (компарт-
ментов) нет.

ДНК-молекула кольцевая, и она одна.

Клетки делятся простой перетяжкой.

Свои механизмы движения (есть жгутики, например, но ничего общего
со жгутиком какой-нибудь эвглены не имеют).

10 микрон

Эукариоты

•	Содержат мембранные органеллы

•	Хромосом несколько, они линейные

•	Делятся митозом и мейозом

•	Цитоплазма неодинаковая
•	Свои механизмы движения

•	Размеры десятки микрон

•	И они из-за всего этого гораздо, гораздо сложнее.

Это не все. Есть еще вирусы,

вироиды, состоящие только из нуклеиновой кислоты без капсида (кольцевой
РНК) и, возможно, белки-прионы (без всякой нуклеиновой кислоты). Они не
объединены одним происхождением. Прионы — белки, способные вызывать
изменение конформации у белков с тем же аминокислотным составом. Это,
например, «коровье бешенство». Вироиды — голая РНК. Паразиты растений.
Непонятно, откуда взялись. Вирусы же, возможно, деградировавшие из-за
паразитизма клетки. (По этому пути идет, возможно, микоплазма — бактерия,
потерявшая способность к синтезу липидов и перешедшая к внутрикле-
точному паразитизму; вызывает, например, пневмонию). Паразитизм вообще
вызывает деградацию строения и функций, чем дольше длится и чем сильнее
развит — тем более существенную.

Разнообразных вирусов больше, чем видов всех клеточных живых
существ — десятки миллионов (описано 6 тысяч). Вирусы все — внутрикле-
точные паразиты (необязательно это плохо для биосферы и даже для хозяина).
Так, очень много вирусов живет в океане и мешает сильно размножаться
фитопланктону, что предотвращает заморы. Вирусы (бактериофаги) можно
использовать против болезнетворных бактерий (антибиотиов уже не хватает).
Вирусы можно использовать для перенесения генетической информации (в
медицине; например, золгенсма от СМ А, или спинраза от нее же.). В течение
эволюции животных вирусы встраивались в геном многократно, и наличие
плаценты, например, связано со встроившимся вирусом (а то бы мы все были
вроде сумчатых Австралии).

Вирусы не имеют мембраны. У вируса есть РНК или ДНК и белковая
оболочка (капсид). Может быть еще дополнительная оболочка (липидная,
крадет у клетки). Нет собственной мембраны, не может самостоятельно
реплицироваться и синтезировать белок. Ничего не может. Только хранится.
С этой точки зрений его и живым-то назвать нельзя. Не растет и не
развивается, не размножается вне клетки, раздражимости у него тоже нет. Но
если проберется в клетку. Это суперпаразит. Клетка начинает работать иначе
— теперь все ее силы брошены на репликацию вируса. Ясно, что она рано
или поздно погибает. Вирусные частицы высвобождаются и заражают новые
клетки. А бывает, что вирусы клетку «берегут» — она живет довольно долго,
и тогда у вирусов должен быть механизм, как из клетки выбраться. Короче,
когда вирус в клетке — он размножается, мутирует, и значит, подпадает под
давление естественного отбора. Следовательно, живет.

Это неклеточная форма жизни.

Как вирус превращает клетку в производителя своих копий?

1.	вирус прикрепляется к мембране. Он использует белки оболочки, кото-
рые должны соответствовать белкам (или гликопротеидам) мембраны
клетки. Наиболее разнообразны именно гликопротеиды (они являются
рецепторами, а сигналов клетка принимает много), и белки вирусного
капсида приспособлены к очень конкретным рецепторам. Поэтому ви-
русы а) видоспецифичны (рецепторы же у разных видов устроены по-
разному) и б) могут заражать только клетки определенных типов (на-
бор рецепторов у разных клеток одного организма разный). Поэтому
вирус гриппа, например, поражает клетки эпителия дыхательной сис-
темы, а вирус кори — иммунные клетки. Вирусом чумы плотоядных
болеют псовые, а люди и, например, кролики не болеют. Полиомиели-
том болеют приматы, а корью и черной оспой — только человек.

2.	Если соответствие есть — прикрепление случается, затем проникнове-
ние. Некоторые вирусы крадут при выходе из клетки кусочки их мем-
бран (клеточной мембраны, или ядерной, или эпр), запаковываются в
них. При сближении с мембраной клетки (прикрепление осуществля-
ется белками, которые могут сокращать свою длину и притягивать ви-
рус к мембране клетки) мембраны просто сливаются (из-за гидрофоб-
ных взаимодействий), и геном вируса попадает в клетку. Или клетка
может просто съесть вирус, приняв его за пищевую частицу В этом
случае вирус должен на капсиде иметь какие-то белки, чтобы клетка
приняла его за пищевую частицу. Вирус оказывается внутри клетки,
окруженный мембраной клетки. Этот пузырек сливается с лизосомой,
и в получившейся мембранной органелле переваривается и мембрана
клетки, окружающая капсид, и сам капсид. Остается только нуклеино-
вая кислота вируса, после чего она как-то (как?) попадает в цитоплазму
(допустим, лизосома разрушается... почему, интересно) и начинается
репликация. Или даже сразу синтез белка, а репликация потом (если
это РНК+ вирус). И третий способ — впрыскивание генома внутрь
клетки. Капсид (очень сложный) в клетку не попадает вообще. Так бак-
териофаги поступают.

3.	Третий этап — репликация вирусного генома. Можно использовать
белки клетки, можно их приносить с собой. Потом на основе генома
вируса синтезируются новые белки. Собираются новые вирусные час-
тицы. И либо клетка просто лопается, либо вирус имеет механизмы для
покидания клетки.

htfos://www.youtabe.com/watch?v=WYFDMdo 4gO&list=PLU9B4k6Y4W
xI2JW-HAhsIoEVKuvXXex2d

Итак, есть клеточная и неклеточная формы жизни.

Неклеточные — не могут самостоятельно существовать. Без клеток-
хозяев не обладают свойствами живого. Не объединены единым проис-
хождением. Включают вирусы, вироиды и прионы (не всегда).

Клеточные формы жизни — обладают всеми свойствами живого.
Клетка — минимальная структура со всеми этими свойствами. Клетки имеют
общее происхождение (примерно 3.5 млрд лет назад появились) и единый
план строения и функционирования (мембрана, матричный синтез, общий
генетический код, использование нуклеозидтрифосфатов в качестве источ-
ника энергии).

Клетки — разные. Строение клеток разное — отсюда разнообразие
организмов.

Клетки делятся на прокариотические и эукариотческие. Эукариоти-
ческие в несколько раз крупнее за счет более сложного строения. Многокле-
точные организмы все являются эукариотами.

Клеточные формы жизни связаны единым происхождением. Считается,
что клетка (естественно, прокариотическая, она проще) появилась около
3.5 млрд лет назад, а то и 4.5 (Last Universal Common Ancestor, LUKA,
представление о ней сформировано путем сравнения геномов ныне живущих
существ, в нем точно было уже больше 350 генов, которыми нынешние орга-
низмы пользуются и теперь). Считается, что древний организм был устроен
проще, чем любой ныне живущий организм. Возможно даже, что ДНК у него
не было — только РНК. (потому что полимеразы архей и бактерий разные).
Но генетический код единый. Рибосомы — 50S и 30 S. Энергоноситель —
АТФ. Несколько сотен ферментов для расщепления жиров, белков,
нуклеиновых кислот и углеводов и для синтеза того же самого. Цитоплазма
окружена мембраной. В мембране (уже!) ионные насосы для Na и К. Кон-
центрации отличались от среды как сейчас. Размножением дупликацией
содержимого и делением. Для получения энергии использовал хемиосмос.
Окислял Н2 и образовывал СО2. (например: СН3ОН + Н2 —> СН4 + Н2О или
2 (CH3)2S + 2 Н2О —> 3 СН4 + СО2 + 2 H2S, такое и сейчас можно найти в гид-
ротермах (там газы из магмы прорываются под водой сквозь океаническую
кору), а их раньше было очень много.).

Все живые существа относятся к одной из групп (доменов) — бак-
терии, археи и эукариоты.

Бактерии и археи — по уровню организации являются прокариотами.
Разделены они по филогенетическому признаку (происхождению), а общ-
ность происхождения устанавливается по сходству и различию генов. Чем
сильнее отличаются друг от друга родственные гены (например, РНК
рибосом и отвечающие за это участки генома), тем менее родственны
организмы. Затрудняет это дело параллельный генетический перенос —
очень характерный для прокариот и редко встречающийся у эукариот (из-за
оформленного ядра и сложности взаимодействий генов внутри генома, тем
более это касается многоклеточных).

Археи и бактерии сильно различаются по строению и свойствам
мембраны и клеточных покровов (у архей встречается мембрана из монослоя
и состоит из простых эфиров (у всех остальных — из сложных), зато нету
характерной для бактерий муреиновой клеточной стенки, а если есть — своя,
уникальная, из псевдомуреина), по местам обитания (среди архей нет
паразитов (одно исключение, архея на архее), зато много экстремалов,
которые живут при очень высокой температуре, экстремальных значениях pH
и пр), по метаболизму (археи умеют делать метан из СО2 и Н2, синтез белка у
них больше похож на эукариотный, например, трансляция, как у эукариот,
начинается с метионина (у бактерий — формилметионин), строение жгутика
отличается принципиально — у бактерий это один белок (молекулярная
машина, ротор), а у архей построен из нескольких, совсем других белков. И
они единственные метаногены. 80% метана в атмосфере — их дело. А всего
их 20% от общей биомассы живых существ.

Бактерии — все остальные прокариоты. Среди них полно паразитов,
сапрофитов, фотосинтетиков (сине-зеленые водоросли). Есть колонии (в
чашках Петри на твердом субстрате образуют характерные формы колоний,
сине-зеленые водоросли формируют цепочки из клеток), но на уровень
многоклеточности перейти не могут (видимо, из-за прямого контакта ДНК и
цитоплазмы и строения генома в виде оперонов, а также полицистронной
мРНК — недостаточно возможностей для регуляции экспрессии генов).

Происхождение эукариот

Появились где-то 2 млрд, лет назад. Считается (симбиотическая теория,
Линн Маргулис, 60-е гг., но разговоры шли аж с середины 19 в.), что эукари-
оты — результат симбиоза клетки, ответственной за образование ядра,
цитоплазмы и мембраны, и симбионтов, существующих в ней в виде мито-

хондрий и пластид.

Предположили, что это — симбионты, из-за их самостоятельного
размножения внутри клетки, наличия собственных генов и собственных
рибосом прокариотического типа. Относительно митохондрий понятно даже,
что это были альфапротеобактерии, родственники риккетсий, которые
вызывают брюшной тиф. Предполагалось, что они были паразитами, или, что
их ели. А скорее всего, было так: (Е. Кунин 2014, Логика случая)

В прошлом году появились доказательства именно такого пути
происхождения. Несколько лет назад по геномам, находившимся в донных
морских осадках, нашли (точнее, предсказали) существование группы архей,
наиболее близких к эукариотам. Точнее, они с эукариотами попадают в одну
группу, противостоящую всем остальным археям. (С этой точки зрения
эукариоты — это разновидность архей). А в 2020
г. опубликовали работу, в ходе которой получили
культуру этих архей (Япония, Кен Такаи).
Растили 10 лет. Эта архея не может жить без
симбиотической бактерии, с которой связана
общим метаболизмом. И она выращивает
щупальцы и обнимает ими бактерию (как у
Кунина гипотетически нарисовано было лет 10
назад). Так что теперь это, наверное, доказано.

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1916-6

Встречи будущих симбионтов случались в сообществах прокариот,
формирующих бактериальные маты (на самом деле маты бактерии+археи).
Такие маты есть и сейчас, только состоят из других микроорганизмов. А их
древние остатки — строматолиты, подобные им, и сейчас встречаются на
мелководьях теплых морей.

История хлоропластов гораздо разнообразнее. Во-первых, симби-
онтами были две разных цианобактерии (фотосинтезирующих бактерии).
Одна линия ведет к хлоропластам зеленых растений (сосна, береза, тюльпан,
папоротник, мох). Вторая — к хлоропластам красных водорослей (группа
такая: живут в воде, красного цвета, улавливают более длинноволновой свет,
чем зеленые, следовательно, живут глубже). А позже, и одноклеточные
красные водоросли, и одноклеточные зеленые, сами стали симбионтами
других эукариот. Это так называемые вторичные симбионты. Более того, есть
и третичные!

То есть бывают хлоропласты с привычной для нас по зеленым расте-
ниям двойной мембраной (первичные), с мембраной из четырех слоев
(вторичные) и третичные, у которых должно было бы быть шесть мембран!
Такого не происходит, потому что часть мембран в таких случаях
редуцируется. А вот геном вторичного (и третичного) симбионта часто
остается. Так что у какой-нибудь динофлагелляты (ужасной водоросли)
имеется пять самостоятельных наборов ДНК: собственное ядро, ядро-
нуклеоморф третичного симбионта, ядро-нуклеоморф вторичного симбионта,
и еще геномы первичного симбионта и митохондрий. Все эти симбионты
любят передавать свои гены в ядро хозяина. Поэтому в кольцевой ДНК
митохондрий закодировано около 10% их собственных белков, остальные
гены от них давным-давно перешли в ядро хозяина.

Эукариоты

Морфологически наиболее разнообразные формы жизни.

Имеют общего предка.

НЕ делятся на грибы, животные и растения.

Это деление скорее характеризует их образ жизни.

Так, растениями называют всех фотосинтезирующих эукариот, неза-
висимо от их происхождения и того, многоклеточные они или одноклеточные.

Животными называют тех гетеротрофных (питающихся готовыми
органическими веществами) эукариот, которые обладают подвижностью (и
их близких родственников). Животные — это подвижные гетеротрофы.

Наконец, грибы — это неподвижные гетеротрофы.

По происхождению же с этим делением нет почти ничего общего.

Сохраняются только самые «заметные» группы: многоклеточные жи-
вотные и высшие растения (мхи, хвощи, папоротники, плауны, семенные
растения). К высшим растеням примыкает небольшая часть водорослей (так
называемые Зеленые водоросли, к которым относится хламидомонада,
хлорелла, улотрикс, харовые водоросли), с ними вместе получается группа
Зеленые растения. У Многоклеточных животных в родственниках — часть
грибов и небольшая группа одноклеточных гетеротрофов (так называемые
воротничковые жгутиконосцы).

Все остальное — совершенно самостоятельные группы.

Сейчас все эукариоты делятся на три группы (филогенетических
ветви): экскаваты (например, эвглена зеленая, трихомонас, трипанозома —
возбудитель сонной болезни).

Строение зеленой эвглены.



(У нее хлоропласты из зеленых водорослей сделаны, а мембран — три).

В группу Аморфеа (бесформенные, называются так потому, что их клетки
(хотя бы некоторые и хотя бы иногда) могут образовывать ложноножки и тем
самым менять свою форму. Сюда входит, например, обыкновенная амеба (и
многие другие амебы, но не все, так что амеба — это тоже жизненная форма,
а не филогенетическая группа),

все многоклеточные животные,
Рис 47 Беспозвоночные животные

некоторые простейшие (немногие, например
воротничковые жгутиконосцы),

слизевики (не все), и
многие грибы (те, что
мы едим — все, а еще
часть — плесневых и
дрожжи). Настоящие
грибы и многоклеточные
животные — более
близкие родственники,
чем каждый из них и
амебозоа.
(одна ветвь с красными водорослями),

Третья	группа

включает в себя все
остальные	живые

организмы. Она так и
называется: Diaphoretikes.
то есть «Разнообразные».
Из знакомых вам групп
сюда входят Зеленые
растения

множество одноклеточных форм — инфузории —

Вегетативное
(йолошое) ядро

меленая
вакуоле .

Соку a mu теле?н а я
ЙакуОЛ#

Реснички

Пелликула

Эндоплазма
Порош ица

Эктоплазма

№	4 ГенератыЙное

(малое) ядро
Клеточной рот
(цы тостом а)
Клеточная глотка
(цитофарынкс)
(одна ветвь вместе с паразитами-споровиками (малярия, токсоплазмоз) и

динофитовыми водорослями —

Тип Protozoa
Класс Sporozoa
Toxoplasma gondii

1. Ядро

2. Коноид

3. Роптрии

4. Митохондрии

5. ЭПС

6. Микропора

изначально все они имели хлоропласты, но все инфузории и все споровики
их потеряли, а большинство динофлагеллят их сохранило или приобрело
хлоропласты поновее). Близка к последней группе филогенетическая ветвь,
содержащая самые разные формы: тут и грибы, и жгутиконосцы, и
(большинство) растений, и слизевики, и еще много странного. Большинства

— одноклеточные, но к ней принадлежат бурые водоросли — например,
морская капуста (ламинария).
У Бурых водорослей многоклеточный таллом и даже есть диффе-
ренциация на ткани.

Есть еще симбиотические организмы, которые не вписываются ни в
какую классификацию, потому что их тело состоит из представителей двух
(или более) неродственный видов. Например, лишайники — симбиоз гриба и
водоросли. Условились систему лишайников строить по грибу — он придает
форму таллому, и по массе его больше.

Накипной:

Листоватый:

Кустистые:
кладонии (ягель), йородач

Впрочем, человек тоже, в сущности, представляет собой результат сим-
биоза млекопитающего и огромного количества различных микроорганизмов.
Такая картина обычна и для других живых существ.

Таким образом:

1.	Все живые существа имеют набор общих свойств.

2.	Жизнь делится на клеточную и неклеточную, причем неклеточная —
всегда паразиты, поскольку не обладают всеми свойствами живого.
Полноценная жизнь начинается с клетки.

3.	Разнообразие жизни связано с разнообразием клеток.

4.	живые существа делятся на три группы: бактерии и археи (безъядер-
ные) и эукариоты (клетки имеют ядро). Эукариоты — результат сим-
биоза архей (ядро и цитоплазма) и бактерий (митохондрии и пласти-
ды).

5.	Многоклеточные делятся на несколько филогенетических крупных
групп. Деление на растения, животных и грибов не имеет отношения к
родству организмов, а только указывает на их образ жизни. Термин
«одноклеточные» или «простейшие» указывает только на то, что орга-
низм состоит их одной клетки.

6.	Многоклеточные могут получиться только из ядерных форм. Клетка
прокариот недостаточно сложна. Переход к многоклеточности совер-
щался в разных неродственных друг другу группах (многоклеточные
животные, зеленые растения, красные водоросли, бурые водоросли).
6.	Клетка. Структура и функции

Клеточная теория

Понятие, что структурной и функциональной единицей живых
организмов является клетка является одним из основополагающих
понятий в биологии. Впервые оно было сформулировано в рамках первых
постулатов клеточной теории ее основателями, немецкими учеными
зоологом Т. Шванном и ботаником М. Шлейденом. Развитие понимания
строения одноклеточных и многоклеточных организмов было тесно связано с
усовершенствованием оптических методов исследования. Первое
упоминание о «ячейках» или «клетках» можно встретить в работах Роберта
Гука (1665 г.), который наблюдал ткани пробки с помощью увеличительных
линз. Его работы были продолжены М. Мальпиги, Н. Грю, А.Левенгуком,
Ф. Фонтана и многими другими. Прогресс в изучении строения клетки был
связан с развитием микроскопии в 19-м в. К концу 19-го в. была открыта
большая часть структур, которые удавалось разглядеть с помощью светового
микроскопа: Я. Пуркинье описал протоплазму, Р. Брауном было открыто ядро
клетки. В 1838 г. Шванн и Шлейден объединили накопившиеся к этому
моменту знания о клетки в постулаты «Клеточной теории». Несмотря на то,
что основные положения были сформулированы более 150 лет назад, они
сохранили свое принципиальное значение и сейчас. В настоящее время
базовыми положениями являются следующие:

1)	Клетка — элементарная единица живого — вне клетки нет жизни.

2)	Клетка — единая система, состоящая из множества закономерно связан-
ных друг с другом элементов, представляющих собой определенное це-
лостное образование, состоящее из сопряженных функциональных еди-
ниц — органелл или органоидов.

3)	Клетки сходны (гомологичны) по строению и по основным свойствам.

4)	Жизнь организма может и должна быть сведена к совокупности жизней
составляющих его клеток.

Немецкий ученый Р. Вирхов дополнил основные постулаты выводами,
что всякая клетка происходит из другой клетки. Р. Вирхов также считал, что
каждая клетка несет в себе полную характеристику жизни: «Клетка есть
последний морфологический элемент всех живых тел, и мы не имеем права
искать настоящей жизнедеятельности вне ее» (1858). Вследствие этого в
клеточной теории появились дополнительные положения.

5)	Клетки увеличиваются в числе путем деления исходной клетки после
удвоения ее генетического материала (ДНК): клетка — от клетки.

6)	Многоклеточный организм представляет собой новую систему, слож-
ный ансамбль из множества клеток, объединенных и интегрированных
в системы тканей и органов, связанных друг с другом с помощью хи-
мических, гуморальных (молекулярная регуляция) и нервных факторов.
Современное развитие науки, изучающей строение и функции клеток
(цитологии), позволило сформулировать еще несколько положений, одно из
которых:

7)	Клетки многоклеточных организмов тотипотентны, т.е. обладают гене-
тическими потенциями всех клеток данного организма, равнозначны
по генетической информации, но отличаются друг от друга разной экс-
прессией (работой) различных генов, что приводит к их морфологиче-
скому и функциональному разнообразию - к дифференцировке клеток
и тканей.

Клетки — структурные и функциональные единицы живых орга-
низмов

В природе клеточные организмы делятся на 2 типа: прокариоты
(доядерные — ДНК свободно лежит в цитоплазме в области нуклеоида) и
эукариоты (собственно, ядерные — ДНК находится в специальной
органелле — ядре, окруженном ядерной мембраной). К прокариотам относят-
ся бактерии и сине-зеленые водоросли, к эукариотам животные, растения,
грибы. Мы будем говорить о клетках эукориот.

Клетка — это ограниченная активной мембраной^ упорядоченная^
структурированная система биополимеров образуюгцих ядро и цитоплазму
учаспгвуюица в единой совркупнрспш мепшболических и энергепилческих
процессов^ осущесптляюира поддержание и воспроизведение всей системы в
целом.

Размеры эукориотических клеток варьируются от 1-2 мкм до 130—
150 мкм. Однако существуют в природе и клетки размером до десятков см
(яйцеклетки птиц).

Содержимое клетки отделено от внешней среды или от соседних
клеток плазматической мембраной (плазмолеммой). Все эукориотические
клетки состоят из двух основных компонент — ядра и цитоплазмы.
Цитоплазма неоднородна по своему составу и строению и включает в себя
гиалоплазму (основную плазму), в которой находятся органеллы
(обязательный компонент) и включения (необязательный компонент).

Гиалоплазма (от гречю hialinos — прозрачный) — основная плазма
или матрикс — важная часть клетки — ее внутренняя среда. Это сложная
коллоидная система. Включает в себя воду (85%), различные биополимеры
(белки 10%, нуклеиновые кислоты ДНК 0,4% и РНК 0,6%, липиды 2%,
полисахариды 1%), а также различные ионы (1%). Система способна
переходить из золеобразного (жидкого) состояния в гелеобразное (желе, гель-
золь переходы) и обратно (консистенция тиксотропного геля — разжижение
возможно при механических воздействиях). Функциональное значение
гиалоплазмы очень велико. В ней локализованы ферменты, участвующие в
синтезе аминокислот, нуклеотидов, жирных кислот, метаболизма сахаров. В
гиалоплазме происходит синтез и отложение запасного полисахарида
гликогена, накопление запасных жировых капель, состоящих из
триацилглицероидов. Здесь же происходят процессы гликолиза и синтез
части АТФ. В гиалоплазме на рибосомах и полисомах, несвязанных с
мембранами, происходит синтез белков, необходимых клетке для поддержа-
ния ее жизнедеятельности, для построения ее органелл. Здесь же происходит
активация аминокислот с помощью специфических ферментов и связывание
их с трансферными РНК, а также модификация ферментов (например,
фосфорилирование), приводящее к их активации или к инактивации,
происходит деградация, расщепление белков, с помощью специфических
протеиназ и т.д. На рибосомах непосредственно в цитозоле происходит
синтез белков, транспортируемых в различные участки клетки, белков
митохондрий, клеточного ядра.

Кроме огромного количества аминокислот, нуклеотидов и других
строительных блоков биополимеров в гиалоплазме находится множество
метаболитов — промежуточных продуктов, возникающих при синтезе и
распаде макромолекул [2].

Также в гиалоплазме поддерживается определенное соотношение
ионов по сравнению с внешней средой. Так, концентрация натрия (Na+)
внутри клетки значительно ниже, чем во внеклеточной среде (в среднем в
12 раз); а концентрация калия (К+) наоборот внутри клетки выше в 30 раз,
чем снаружи [соотношения приведены для мышечной клетки].

Ионы	Внутриклеточная концентрация	Внеклеточная концентрация
Na+	12 ммоль/л	145 ммоль/л
К+	150 ммоль/л	5 ммоль/л
сг	4 ммоль/л	120 ммоль/л
НСО3'	8 ммоль/л	27 ммоль/л
Са2+	10'8—10'7 моль/л	2,5 ммоль/л
РО4	60 ммоль/л	2 ммоль/л

В основе структурной организации клетки лежит мембранный
принцип строения. Содержимое клеток окружает клеточная мембрана.
Клеточная мембрана играет важную роль в жизнедеятельности клетки. Она
отделяет клеточное содержимое от внешней среды (барьерная функция);
регулирует обмен между клеткой и внешней средой (транспорт через
мембрану в клетку питательных веществ и удаление метаболитов);
обеспечивает выделительную функцию в случае выработки клеткой секретов;
обеспечивает рецепторные взаимодействия и т.д.

Основные химические компоненты мембраны: липиды и белки, в
меньшинстве — углеводы.

И,С- N* СИ, СНЭ-О-Р- О-СИ,

они ннннннннннннннн

Phosph*!» НС-О-С -С-С -С-С-С-С-С-С-С-С-С-С-С-С-С-С-С-Н
it ।	।	।	।	।	।	।	।		1	*	।	।	<	»

нннннннн ннннннннн

b	I оннннннннннннннннн

HjC-O-C • С-С-С-С-С-С-С-С-С-С-С-С-С-С-С-С-С-Н

Glycerol ИНН НННМНННННННННН
Backbone Fatty

Ac»d Cham*

ЛИПИДНЫЙ б ИСЛОЙ

Рис. 6.1. Строение липидного бислоя.

Липиды — класс веществ, которые сочетают в себе гидрофобные и
гидрофильные свойства (рис. 6.1). Это соединение спирта (гидрофильная
часть) с жирными кислотами (гидрофобная часть). Основной компонент
клеточных мембран — фосфолипиды (фосфатидилхолин, фосфа-
тидилэтаноламин, фосфатидилсерин и др.), сфингомиелины, холестерин.
Клеточная мембрана состоит из 2-х слоев фосфолипидов (бислойная —
толщиной 6—10 нм). В состав мембран входят белки (рис. 6.2), а также
сложные комплексы липидов с белками (липопротеины) и комплексы
липидов с углеводами (гликолипиды). В 1972 г. С. Зингер и Г. Николсон
сформулировали «жидко-мозаичную» модель, на которой базируются
современные представления о структуре биомембран. Жидко-мозаичная
модель описывает биологическую мембрану как жидкий бислой, состоящий
из смеси различных липидов, в который встроены белки. Молекулы могут
свободно перемещаться в плоскости бислоя, что обеспечивает текучесть
мембраны [2]. Из-за большого разнообразия липидных и белковых молекул,
формирующих мембрану, она выглядит подобно мозаике.
белок

филаменты цитоскелета

Рис. 6.2. Схема строения мембраны клеток.

Мембранные белки играют разные роли: это транспорт молекул и
питательных веществ в клетку; рецепторное связывание (рецепция);
защитная функция; ферментативная функция; транспортная функция
(канальные белки — регулируют транспорт ионов внутрь клетки пассивным
транспортом), белки переносчики и насосы (активный транспорт против
градиента концентраций, сопряженный с потреблением энергии АТФ, как
например №,К-АТФаза); формирование контактов между клетками, а также
между клеткой и межклеточной средой. Более подробно о строении мембран
будет описано в следующем разделе.

Снаружи располагается надмембранный слой — гликокаликс.
Толщина этого слоя — 3-4 нм. Это ассоциированный (связанный) с
плазмолеммой гликопротеиновый комплекс, в состав которого входят
различные углеводы. Углеводы образуют длинные ветвящиеся цепочки полн-
или олигосахаридов, связанные с белками и липидами. Элементы
гликокаликса — гликопротеины могут выступать поверхностными
рецепторами. Также с ними могут быть связаны белки-ферменты,
расщепляющие внеклеточные вещества до попадания их в клетку.

Плазматическая мембрана принимает участие в выведении веществ из
клетки с помощью процесса экзоцитоза, при котором внутриклеточные
продукты, заключенные в мембранные везикулы, сливаются с
плазматической мембраной, а содержимое выделяется в окружающую среду.
Также плазматическая мембрана участвует в эндоцитозе. Эндоцитоз делят на
фагоцитоз (захват и поглощение клеткой крупных частиц, бактерий,
фрагментов других клеток) и пиноцитоз (захват макромолекулярных
соединений). Эндоцитоз начинается со связывания поглощаемых веществ с
поверхностными рецепторами плазмолеммы; образуются небольшие
впячивания внутрь клетки; затем эти впячивания отпочковываются от
плазмолеммы в виде пузырьков внутрь клетки (эндосомы). Эндосомы
сливаются с клеточными лизосомами, гидролитические ферменты которых
расщепляют содержимое для внутриклеточного пищеварения.

В гиалоплазме клетки находятся клеточные органеллы — постоянно
присутствующие и обязательные для всех клеток микроструктуры,
выполняющие жизненно важные функции (рис. 6.3). Различают мембранные
органеллы (ядро, митохондрии, эндоплазматическая сеть, аппарат Гольджи,
лизосомы, пероксисомы) и немембранные (рибосомы, микротрубочки,
центриоли, филаменты).

Рис. 6.3. Схема строения эукариотической клетки.

Органеллы клетки.

Ядро необходимо для жизни эукариотической клетки, поскольку
именно оно регулирует ее активность и несет в себе генетическую инфор-
мацию, заключенную в ДНК. Ядро осуществляет две основные функций:
хранение генетической информации; реализация, генетической информации
— обеспечение синтеза белка. Для поддержания неизменной структуры ДНК
в ядре находятся репарационные ферменты, ликвидирующие спонтанные
повреждения молекулы ДНК (разрыв одной из цепей ДНК, часть
радиационных повреждений), что сохраняет строение молекул ДНК практи-
чески неизменным в ряду поколений клеток или организмов. В ядре
происходит воспроизведение или редупликация и разъединение молекул ДНК.
Во время мейоза в ядре эукариот происходят процессы изменения и
рекомбинации генетического материала (кроссинговер). В ядре происходит
не только синтез, транскрипция, на молекулах ДНК информационных РНК,
но также транскрипция всех видов трансферных РНК и рибосомных РНК. В
ядрах эукариотических клеток происходит «созревание» (процессинг,
сплайсинг) первичных транскриптов. В ядре эукариот происходит образо-
вание субъединиц рибосом путем формирования комплексов синтези-
рованных в ядрышке рибосомных РНК с рибосомными белками, которые
синтезируются в цитоплазме и переносятся в ядро.

Ядро клетки покрыто двойной бислойной ядерной оболочкой, внутри в
нуклеоплазме располагается хроматин, который представляет собой комплекс
ДНК-белок. Составными частями интерфазного ядра эукариотов являются:
ядерная оболочка (нуклеолемма или кариолемма), ядерный сок (нуклео-
плазма или кариоплазма), ядрышко, хроматин и ядерный белковый
матрикс. Главный компонент ядер, хроматин, является структурой, выпол-
няющей генетическую функцию клетки, в хроматиновой ДНК заложена
практически вся генетическая информация. В среднем в хроматине около
40% приходится на ДНК и около 60 % на белки, среди которых
специфические ядерные белки-гистоны, составляют от 40 до 80% от всех
белков, входящих в состав выделенного хроматина. Во время деления клетки
хроматин конденсируется и представляет собой туго скрученные спира-
лизованные нити — хромосомы. В интерфазе (период между двумя
делениями) хроматин сохраняют свою физическую индивидуальность, но
переходит в разрыхленное, деконденсированное состояние — эухроматин.
Эухроматин заполняет всю центральную часть ядра. Часть хроматина даже в
интерфазе сохраняет плотно спирализованные элементы, в основном на
концах хромосом — гетерохроматин. Гетерохроматин, как правило,
располагается в непосредственной близости к внутренней мембране ядра. В
целом в составе ядерного хроматина только лишь некоторые участки никогда
не теряют особого конденсированного состояния. Такими постоянно
конденсированными зонами чаще всего являются центромерные и
теломерные участки хромосом. Кроме них постоянно конденсированными
могут быть также некоторые участки, входящие в состав плечей хромосом —
вставочный или интеркалярный гетерохроматин, который в ядрах также
представлен в виде хромоцентров. Такие постоянно конденсированные
участки хромосом в интерфазных ядрах сейчас принято называть коне-
титутивным (постоянным) гетерохроматином. Конститутивный гетерохро-
матин генетически не активен, он не транскрибируется, реплицируется он
позже всего остального хроматина, в его состав входит особая (сателлитная)
ДНК, обогащенная высокоповторяющимися последовательностями нуклео-
тидов; он локализован в центромерных, теломерных и интеркалярных зонах
митотических хромосом. Доля конститутивного хроматина может быть
неодинаковой у разных объектов. Так у млекопитающих на него приходится
10—15% всего генома. Нехроматиновый ядерный белковый остов (матрикс)
обеспечивает не только пространственное расположение хромосом в ядре, но
и участвует в их функциональной активности.

Ядерная оболочка выполняет сложную барьерно-рецепторную, а также
транспортную и каркасную функцию. Ядерная мембрана состоит из 2-х
мембран: наружной и внутренней, между которыми располагается пери-
нуклеарное пространство. Наружная мембрана соединена с каналами
эндоплазматической сети и, как правило, усеяна рибосомами. Внутренняя
мембрана связана с хромосомным материалом ядра. Характерными струк-
турами ядерной оболочки являются ядерные поры. Ядерный поровый
комплекс (NPC) представляет собой структуру с молекулярной массой более
125 000 кДа, состоящую из более 1000 белков (рис. 6.4), которые носят назва-
ние нуклеопоринов (различают 50-100 видов). Эти белки собраны примерно
в 12 субкомплексов. Комплекс поры представлен тремя рядами белковых гло-
бул по 8 глобул в каждом ряду. Диаметр порового комплекса составляет 70-
100 нм, а высота — 75 нм. NPC служит регулятором в ядерно-цитоплаз-
матическом обмене. Ядерные белки проходят через ядерные поры с помощью
специальных механизмов, включающих узнавание и связывание крупных
ядерных белков, а затем только их транслокацию, перенос через поры.

цитозольная
фибрилла

кольцевая
субъединица

внешняя

мембрана ядра

ЦИТОЗОЛЬ

люменальная
субъединица

ядерная
оболочка

поддерживающая
субъединица /

ядерная
ламина

субъединица кольца.

ядерная «корзина»

внутренняя
мембрана ядра

ядерная фибрилла

50 нм

Рис. 6.4. Строение ядерного порового комплекса.
Многие ядерные белки проходят через ядерные поры с помощью
специальных механизмов, включающих узнавание и связывание крупных
ядерных белков, а затем только их транслокацию, перенос через поры. Было
найдено, что белки, транспортируемые в ядро, имеют определенные
последовательности аминокислот (последовательности ядерной локали-
зации (NLS — nuclear localization sequences), которые узнаются рецепторами
ядерных пор. Такие NLS характерны для кариофильных белков, т.е. для
белков ядерной локализации, которые синтезируются на рибосомах в
цитоплазме, а затем транспортируются в ядро. Импорт начинается с того, что
NLS-белок связывается с рецептором NLS и с белками импортинами аир,
локализованными в цитоплазме. Возникший белковый комплекс (импор-
тируемый белок с NLS, связанный с импортинами а и Р) подходит к внешней
ядерной мембране и закрепляется на цитоплазматических филаментах
порового комплекса. Затем этот комплекс входит в ядерную пору и проходит
через «транспортер». После перехода комплекса в нуклеоплазму импортин р
связывается с белком RAN, представляющего собой малую GTP-азу что
приводит к распаду комплекса. Импортируемый белок освобождается и
остается в ядре, а импортины а/p возвращаются в цитоплазму. Из ядра в
цитоплазму по схожему механизму происходит экспорт, как белков, так и
ядерных транскриптов в виде рибонуклеопротеидов, а комплексы ядерных
пор также должны узнавать специфический сигнал на экспорт.

Связь хроматина с внутренней мембраной оболочки происходит
благодаря наличию ламины — тонкого фиброзного слоя вдоль внутренней
мембраны ядра. Ламина служит для поддержания морфологической
целостности и организации хроматина в примембранном слое.

Ядрышко. Внутри интерфазных ядер можно наблюдать
немембранную органеллу — ядрышко (1-5 шт.). Ядрышко — самая плотная
структура ядра. Впервые ядрышки были описаны Фонтана в 1774 г. В живых
клетках они выделяются на фоне диффузной организации хроматина из-за
своей светопреломляемости. Это место образования рРНК, рибосом, на кото-
рых в дальнейшем происходит синтез белков в цитоплазме клетки. До 60%
сухого веса выделенных ядрышек приходится на белки, число которых может
составлять несколько сот разных видов. Помимо белков ассоциированного с
ядрышками хроматина в состав ядрышек входят белки рибосом и специи-
фические ядрышковые белки, связанные с транскрипцией рибосомных генов,
с процессингом 45 S рРНК, такие как РНК-полимераза I, факторы транскрип-
ции, топоизомеразы, метилазы, нуклеазы, протеинкиназы, фосфатазы.

Во время синтеза рРНК в ядрышках на поверхности функционального
центра происходит активация транскрипционных единиц — связывание с
факторами транскрипции и РНК-полимеразой I, которая начинает считывать
первичный транскрипт рРНК. По мере прохождения первой РНК-полиме-
разы I, на освобождающемся участке транскрипционной единицы садится
следующая РНК-полимераза и начинается синтез новой рРНК. Одновре-
менно и последовательно на одном p-гене могут находиться до сотни РНК-
полимераз I, от которых отходят транскрипты разной степени завершенности.
Конечным продуктом является пре-рРНК или 45 S рРНК. По мере синтеза
растущие цепи рРНК «одеваются» рибосомными белками, поступающими в
ядро из цитоплазмы, так что сразу образуются цепи РНП-предшественников.
Конечным продуктом такого синтеза является рибонуклеопротеидный тяж,
или глобула, имеющая константу седиментации около 80S, содержащая одну
молекулу 45 S рРНК. После отделения 45 S рРНК в терминальной точке
транскрипционной единицы происходит расщепление — процессинг 45 S
рРНК, в конце которого образуются 40S и 60S рибосомные субъединицы.
Синтез малых субъединиц в ядрышке занимает примерно 30 мин, а больших
— около 1 ч. В ядрышке незрелая 60S рибосомная субъединица, коме двух
фрагментов рРНК (28S и 5,8S) связывается с третьим (5S). Такие ново-
образованные рибосомные субъединицы особым образом выходят из ядра в
цитоплазму через ядерные поры. В цитоплазме такие незрелые рибосомы
могут связаться с дополнительными белками. 40S субъединица сначала свя-
зывается с иРНК, и только затем с большой 60S субъединицей, образуя пол-
ную 80S функционирующую рибосому.

Рибосомы, Рибосома представляет собой элементарную клеточную
машину синтеза любых белков клетки (трансляции). Все они построены в
клетке одинаково, имеют одинаковую молекулярную композицию, вы-
полняют одинаковую функцию — синтез белка — поэтому их считают
клеточными немембранными органоидами. Функционирующая рибосома,
состоит из двух неравных субъединиц, которые легко обратимо диссоци-
ируют на большую субъединицу и малую. Полная прокариотическая рибо-
сома имеет коэффициент седиментации 70S и диссоциирует на две
субъединицы: 50S и 30S. Полная эукариотическая рибосома, 80S рибосома,
диссоциирует на 60S и 40S субъединицы. В целом рибосомы — сложные
рибонуклеопротеиды, в состав которых входят белки и молекулы РНК
примерно в равных весовых отношениях. Размер функционирующей рибо-
сомы 25x20x20 нм. Могут быть единичные рибосомы и их комплексы —
полисомы. Они могут находиться свободно в цитоплазме, а могут быть при-
креплены к мембране ЭПС.

Мембранные органеллы. Синтез основной массы клеточных белков
происходит на полисомах в цитозоле, а затем посттрансляционно с помощью
внутриклеточных белковых комплексов переносятся «по адресам». В отличие
от этих типов белков, белки экспортного назначения и белки мембран синте-
зируются на рибосомах, расположенных на мембранах эндоплазматического
ретикулума (ЭПР), попадают внутрь вакуолей, по мере синтеза полипеп-
тидной цепи, котрансляционно. Затем эти белки уже внутри вакуолей или в
составе мембран вакуолей транспортируются по клетке.

Вакуолярная система, состоящая из одномембранных разнообразных
по строению и функциям органелл (ЭПР, аппарат Гольджи, лизосомы, сек-
реторные вакуоли), выполняют следующие функции: синтез, перестройки
(модификации), сортировки и выведения (экспорт, экзоцитоз) из клетки
биополимеров, главным образом белков-гликопротеидов; формирование
лизосом; синтез мембран этой системы и плазматической мембраны; а также
участвуют в синтезе липидов (фосфолипидов и холестерола); в метаболизме
глюкозы; накоплении Са2+.

Также вакуоли гладкого ЭПР являются местом расположения
комплекса ферментов системы CYP450, особенно в гепатоцитах (клетках
печени), катализирующих окисление неполярных соединений; участвующих
в окислении спиртов; гидроксилировании гидрофобных соединений и т.п.

Ядерная оболочка

/ Ядро

Рис. 6.5. Эндоплазматический ретикулум.

Для всей вакуолярной системы характерны кооперативность ее
функционирования, взаимосвязь и последовательность этапов образования,
перестройки, транспорта и экспорта синтезированных белков. Цикл событий
в вакуолярной системе можно представить так [1]:

1.	Гранулярный эндоплазматический ретикулум: котрансляционный син-
тез белков (секреторные белки, гидролазы лизосом; белков, входящих
в состав всех мембран вакуолярной системы; первичная модификация
растворимых и нерастворимых (мембранных) белков, их соединение с
олигосахаридами (гликозилирование) синтезированных белков, обра-
зование гликопротеидов; синтез мембранных липидов и их встраива-
ние в мембрану — «сборка мембран».

2.	Отделение вакуолей, содержащих новообразованные продукты и их
переход в цис-зону аппарата Гольджи.

3.	Цис-зона аппарата Гольджи: вторичная модификация гликопротеидов;
синтез полисахаридов (гемицеллюлоза растений) и гексозаминоглика-
нов.

4.	Промежуточная зона аппарата Гольджи: дополнительные модифика-
ции гликопротеидов, трансгликозилирование.

5.	Транс-Гольджи сеть: сортировка секреторных и лизосомных белков;
отделение вакуолей.

Затем происходит экзоцитоз (секреция) / отделение первичных
лизосом с гидролазами.

Для последующего функционирования сформировавшихся лизосом:
эндоцитоз / формирование вторичной лизосомы.

Рециклизация рецепторов гидролаз и рецепторов плазматической
мембраны.

Гладкий эндоплазматический ретикулум: синтез и конденсация
липидов, депонирование ионов Са2+, синтез и ресорбция гликогена и др.

Транспорт в зону аппарата Гольджи — транспорт от аппарата Гольджи
в эндоплазматический ретикулум.

Эндоплазматическая сеть/ретикулум (ЭПС/ЭПР). Представляет
собой совокупность вакуолей, плоских мембранных мешков или трубчатых
образований, образующих мембранную сеть внутри цитоплазмы. Различают
гранулярную и гладкую ЭПС. Грануярная ЭПС образует на сечении
уплощенные мешки (цистерны), ширина полостей цилиндров может быть от
20 нм до микрометров, с внешней стороны они покрыты рибосомами. Могут
быть отдельные цистерны, а могут быть плотные упаковки — в зависимости
от функциональности клетки. Лучше всего гранулярная ЭПС развита в
клетках, синтезирующих секреторные белки. Рибосомы, связанные с
мембраной ЭПС, участвуют в синтезе белков, выводимых из данной клетки
(“экспортируемых белков”), мембранных белков самой клетки, а также
компонентов лизосом.

В гиалоплазме происходит трансляция — связывание иРНК,
кодирующей секреторный белок, с рибосомой; начинается синтез белковой
цепи. Важно, что вначале синтезируется “сигнальная последовательность”,
богатая гидрофобными аминокислотами. Как правило, это 16—
30 аминокислот. Эта “сигнальная последовательность” в цитозоле узнается и
связывается с “узнающей сигнал частицей” (SRP-частица), состоящей из
одной молекулы 7S РНК и 6 различных полипептидных цепей. SRP-частица
после узнавания сигнального конца синтезирующейся молекулы белка
связывается с рибосомой, что приводит к остановке синтеза белка. На
поверхности мембраны ЭПР, обращенной к гиалоплазме, расположены
интегральные рецепторные белки, соединяющиеся с SRP-частицами. В
результате SRP частица связывается со своим рецептором, одновременно она
осуществляет связь данной рибосомы с мембраной ЭПР. Такая "заякоренная"
рибосома с SRP-частицей, блокирующей рост полипептидной цепи,
взаимодействует с большим белковым канальным комплексом —
транслаконом. После связывания рибосомы с транслаконом происходит
отделение SRP-частицы и синтезированный первичный пептид входит в
канал диаметром примерно 2 нм. После этого возобновляется синтез
полипептида, он оказывается внутри цистерны ЭПР. Синтезируемый белок
проходит сквозь мембрану ЭПР во время его синтеза котрансляционно.
Внутри ЭПР происходит связь белковой цепи с олигосахаридами
(гликозилирование N-типа), белки претерпевают ряд дополнительных
изменений (образуют дисульфидные связи, правильное сворачивание).
Ферменты, участвующие в синтезе липидов, встроены в мембрану ЭПР со
стороны цитозоля, синтез липида происходит на мембране ЭПР там же.
Синтезированные липиды встраиваются в мембрану ЭПР в липидный слой
со стороны цитоплазмы, но переносятся на внутреннюю сторону с помощью
переносчиков фосфолипидов. Билипидный слой мембраны растет,
увеличивая поверхность ЭПР. Этот процесс идет одновременно с синтезом
интегральных мембранных белков, так что липопротеидная мембрана
строится и растет за счет синтеза и встраивания липидов, а также синтеза и
интеграции мембранных белков в шероховатом ЭПР.

Белки, накапливающиеся в полостях ЭПС транспортируются в вакуоли
комплекса Гольджи, также в гранулярной ЭПС синтезируются мембранные
интегральные белки, которые встраиваются в мембрану клетки.

Гладкий ЭПР также образуют трубочки и канальца, способные
ветвиться и сливаться. Она развивается за счет гранулярной ЭПС и
необходима для синтеза триглицеридов, полисахаридов, участвует в
заключительных этапах синтеза липидов. На мембране гладкого ЭПР нет
рибосом. Гладкий ЭПР сильно развит в клетках, где секретируются стероиды
(например, корковое вещество надпочечников). Также в нем много
специальных ферментов, способных окислять и дезактивировать различные
токсины, вредные вещества (система CYP 450). В гладкой ЭПС происходит
депонирование ионов кальция, одного из главных вторичных мессенджеров
клетки (внутри вакуолей есть белок кальсеквестрин, который связывает
кальций). При возникновении потенциала действия на мембране ЭПР или
при увеличении концентрации кальция в цитоплазме клетки, на поверхности
гладкого ЭПР открываются кальциевые каналы, например, рианодиновые
рецепторы, через которые происходит выход Са2+ в цитоплазму, что приводит
к активации различных сигнальных путей клетки. Так как клетка не может
существовать с высокой концентрацией кальция в цитоплазме, на
поверхности ЭПР существуют Са2+-АТФазы (SERCA), которые быстро
возвращают ионы кальция из цитозоля обратно в ЭПР.

Участие гладкого ЭПР в синтезе триглицеридов и липидов было
показано при изучении процессов всасывания жиров клетками кишечного
эпителия. В просвете кишечника жиры распадаются до жирных кислот и
моноглицеридов на ворсинах эпителиоцитов. В апикальных частях клеток
происходит накопление гранул внутри просветов гладкого ЭПР — ресинтез
новых триглицеридов из поступающих в клетку предшественников с
образованием липидов.

Комплекс Гольджи. Дистальные участки гранулярного ЭР, которые
расположены в зоне, приближенной к аппарату Гольджи (АГ), теряют
рибосомы и образуют мембранные выступы, от которых отпочковываются
мелкие вакуоли, содержащие синтезированные в ЭР белки. Процесс
"отпочковывания" вакуолей и в целом организация вакуолярного транспорта -
очень сложно регулируемый и до конца не выясненный механизм. За
изучение комплекса Гольджи, формирование вакуолей, сортировку, были
получены Нобелевские премии: 1906 г. К. Гольджи (первое описание
органеллы); 1974 г. А. Клод; 1999 Г. Блобелю; 2013 г. Дж. Ротман, Р. Шекман,
Т. Зюдхоф.

В целом, комплекс Гольджи представляет собой мембранные
структуры, собранные вместе в небольшой зоне в виде цистерн, между ними
располагаются гиалоплазма. Комплекс Гольджи накапливает продукты,
синтезированные в цитоплазматической сети, здесь происходит их
химическая перестройка, созревание; синтез полисахаридов, их объединение
с белками. Основные функции — выведение готовых веществ за пределы
клетки и формирование лизосом. Синтезированный в ЭПР белок в виде
везикул попадает на цис-зону аппарата Гольджи, затем в промежуточной зоне
происходит их конечная модификация, трансгликозилирование (О-тип),
фосфорилирование и в транс-зоне происходит сортировка отдельно
секреторных белков, отдельно лизосомальных белков. В виде секреторных
гранул из расширенных участков цистерн отпачковываются и передвигаются
к мембране, где, сливаясь с плазмолеммой, белки встраиваются в мембрану.
Белки могут отправляться к мембране, а могут стать частью лизосом.

Разделение белков, их сортировка, происходит в транс-участке
аппарата Гольджи. Этот процесс не до конца изучен, но на примере
сортировки лизосомных ферментов можно понять принцип отбора
определенных белковых молекул [1]. Известно, что только белки-
предшественники лизосомных гидролаз имеют специфическую
олигосахаридную, а именно маннозную группу. В цис-цистернах эти
группировки фосфорилируются и дальше вместе с другими белками
переносятся от цистерны к цистерне, через среднюю зону в транс-участок.
Мембраны транс-сети аппарата Гольджи содержат трансмембранный белок -
рецептор (манноза-6-фосфатный рецептор или М-6-Ф-рецептор), который
узнает фосфорилированные маннозные группировки олиго сахари дной цепи
лизосомных ферментов и связывается с ними. Это связывание происходит
при нейтральных значениях pH внутри цистерн транс-сети. На мембранах
эти М-6-Ф-рецепторные белки образуют кластеры, группы, которые
концентрируются в зонах образования мелких пузырьков, покрытых
клатрином. В транс-сети аппарата Гольджи происходит их отделение,
отпочковывание и дальнейший перенос к эндосомам. Следовательно, М-6-Ф-
рецепторы, являясь трансмембранными белками, связываясь с лизосомными
гидролазами, отделяют их, отсортировывают, от других белков (например,
секреторных, нелизосомных) и концентрируют их в окаймленных пузырьках.
Оторвавшись от транс-сети эти пузырьки быстро теряют шубу, сливаются с
эндосомами, перенося свои лизосомные ферменты, связанные с
мембранными рецепторами, в эту вакуоль. Как уже говорилось, внутри
эндосом из-за активности протонного переносчика происходит закисление
среды. Начиная с pH 6 лизосомные ферменты диссоциируют от М-6-Ф-
рецепторов, активируются и начинают работать в полости эндолизосомы.
Участки же мембран вместе с М-6-Ф-рецепторами возвращаются путем
рециклизации мембранных пузырьков обратно в транс-сеть аппарата
Гольджи [текст из Ю.С. Ченцова "Цитология"].

В 2013 г. Нобелевскую премию по физиологии и медицине вручили
Джеймсу Ротману, Рэнди Шекману и Томасу Зюдофу «за открытие системы
везикулярного транспорта — основной транспортной системы в наших
клетках». Р. Шекман выявил гены (группы seel, sec2, всего 23 гена), которые
участвуют в процессе везикулярного транспорта, с помощью мутантных
форм дрожжей и анализа накапливающихся внутри клетки секреторных
ферментов. Позже была определена последовательность событий
посттрансляционной модификации, которые управляют процессом секреции.
Детальное генетическое и морфологическое исследование «отловило»
промежуточные стадии транспорта между ЭР и аппаратом Гольджи, и
особенно это было заметно на мутантах secl7и secl8, в которых секреторные
пузырьки накапливались в клетке в большом количестве. Д. Ротман,
используя подход на основе заражения клеток животных вирусом
везикулярного стоматита (VSV), вследствие чего клетка начинала
производить большие количества вирусного белка VSV-G, выявил ключевые
белки везикулярного транспорта. Одним из таких белков стал N-
этилмалеимид-чувствительный фактор (NSF). Следующее открытие фактора
SNAP (soluble NSF-attachment protein), связывающегося с мембраной при
участии NSF привело к знаковым событиям, соединившим работы Шекмана
и Ротмана [4,5]. Оказалось, что ген seel8 кодировал как раз NSF, a seel 7 —
SNAP (потом было найдено соответствие и остальных генов, к открытым
Ротманом белкам). Позже ими был открыт комплекс SNARE, вызывающий
слияние мембран. Заслуга Зюдофа состояла в описании кальциевой
регуляции данного процесса.

Таким образом, в комплексе Гольджи происходит формирование
лизосом с гидролитическими ферментами; модификация и накопление белков
в секреторных вакуолях; синтез полисахаридов и ассоциация их с белками;
сортировка и секреция. Его работу можно сравнить с работой почтового
отделения.

Лизосомы. Наличие лизосом разного типа в клетках отражает процесс
переноса гидролитических ферментов, необходимых для внутриклеточного
расщепления экзогенных (энзоцитоз) или эндогенных (аутофагоцитоз)
полимеров, процесс секреции, но как бы направленный “внутрь” клетки.
Наибольшее развитие органелл происходит в клетках, участвующих в
"переваривании" макросоединений. Лизосомы — шаровидные структуры
размером 0,2-0,4 мкм, ограниченных одиночной мембраной. Характерной
чертой лизосом является то, что они содержат около 40 гидролитических
ферментов: протеиназы, нуклеазы, гликозидазы, фосфорилазы, фосфатазы,
сульфатазы, оптимум действия которых осуществляется при pH 5. как
правило ферменты находятся в "про-ферментном" неактивном состоянии и
активируются кислыми значениями pH. В лизосомах кислое значение среды
создается из-за наличия в их мембранах Н+ -помпы, зависимой от АТФ.
Кроме того, в мембране лизосом встроены белки-переносчики для
транспорта из лизосом в гиалоплазму продуктов гидролиза: мономеры
расщепленных молекул — аминокислоты, сахара, нуклеотиды, липиды.

Первичные лизосомы сливаются с фагоцитарными или
пиноцитозными вакуолями, эндосомами, образуя вторичную лизосому или
внутриклеточную пищеварительную вакуоль. При этом содержимое
первичной лизосомы сливается с полостью эндоцитозной вакуоли, и
гидролазы первичной лизосомы получают доступ к субстратам, которые они
после активации начинают расщеплять.

Пероксисомы. Небольшие 0.3-1,5 мкм овальной формы тельца,
ограниченные мембраной, содержщие грануляный матрикс, в середине
фибриллы и трубки. Их много в клетках печени и почек [6]. В них много
фермента окисления аминокислот и фермент каталаза, разрушающая
перекись водорода Н2О2.

Митохондрии. Для осуществления любых клеточных функций
необходима энергия. Живые организмы получают её, или используя внешние
источники, например, за счет энергии Солнца (растения, некоторые бактерии),
или же используя энергию переноса электронов при окислении различных
субстратов [2]. В обоих случаях клетками синтезируются молекулы АТФ
(аденозинтрифосфат), некая разменная “топливная” единица, обладающая
высокоэнергетическими фосфатными связями, при разрушении которых
выделяемая энергия может тратиться на любые клеточные функции: на
активный транспорт веществ, на синтетические процессы, на механическую
работу и т.д. Митохондрии — органелы, где происходит синтез АТФ.

Основная функция — окисление органических соединений и
использование освобождающейся при распаде этих соединений энергии для
синтеза молекул АТФ. Их называют энергетическими станциями клетки.
Длина разнообразна от 1 до 70 мкм. Обычно митохондрии скапливаются в
тех местах цитоплазмы, где необходима энергия. Ограничены двумя
мембранами. Наружная мембрана митохондрии имеет толщину около 7 нм,
не образует впячиваний и складок и замкнута сама на себя. Основная
функция — отграничение митохондрии от цитоплазмы. Наружная мембрана
митохондрии состоит из липидов с вкраплениями белков (соотношение 2: 1).
Наружнюю мембрану от внутренней отделяет межмембранное пространство
шириной около 10—20 нм. Так как наружная мембрана митохондрии
проницаема для небольших молекул и ионов, их концентрация в
периплазматическом пространстве мало отличается от таковой в цитоплазме.
Внутренняя мембрана состоит в основном из белковых комплексов
(соотношение белок/липид — 3:1) и образует многочисленные гребневидные
складки — кристы, существенно увеличивающие площадь её поверхности.
Характерной чертой состава внутренней мембраны митохондрий является
присутствие в ней кардиолипина — особого фосфолипида, содержащего
сразу четыре жирные кислоты и делающего мембрану абсолютно
непроницаемой для протонов. Ещё одна особенность внутренней мембраны
митохондрий — очень высокое содержание белков (до 70 % по весу),
представленных транспортными белками, ферментами дыхательной цепи, а
также крупными АТФ-синтазными комплексами.

Принцип работы дыхательной цепи (ЭТЦ) — окисление субстратов,
поступающих из цикла Кребса, и перенос электронов от них с помощью
кофакторов ЭТЦ на конечный акцептор — кислород. Есть определенная
закономерность в последовательности переноса электронов: они поступают
от донора с более отрицательным окислительно-восстановительным
потенциалом, или редокс-потенциалом (Ered/ox, от англ. Reduction —
восстановление, oxidation — окисление), к акцептору с более положительным
Ered/ox. Таким образом, электрон как будто движется вниз по течению,
определяемому Егеа/ох переносчиков электрона. Во время переноса электронов
некоторые комплексы дыхательной цепи закачивают протоны из матрикса в
межмембранное пространство, тем самым создавая электрохимический
потенциал на внутренней мембране митохондрий, который используется для
синтеза АТФ.

Рис. 6.6. Схема строения митохондрии.

Существует предположение, что митохондрии представляют собой
потомков бактерий, которые вначале вели самостоятельное существование,
но в какой-то момент начали симбиоз с клетками эукариот. В матриксе
находится митохондриальная ДНК, РНК и собственный
белоксинтезирующий аппарат митохондрии. Находящаяся в матриксе
митохондриальная ДНК представляет собой замкнутую кольцевую
двуспиральную молекулу. В митохондриях происходит автономный синтез
белка — есть молекулы ДНК, с них образуется синтез РНК разных типов
(информационная, транспортные, рибосомные). В клетках митохондрии
могут увеличиваться в объеме или численно.

Немембранные органеллы. Ранее уже были рассмотрены
немембранные органеллы клетки — рибосомы. Кроме рибосом в
гиалоплазме располагается большое количество белковых молекул,
выполняющих функции цитоскелета (микротрубочки, актиновые и
миозиновые филаменты).

Цитоскелетные компоненты представлены нитевидными,
неветвящимися белковыми комплексами или филаментами (тонкими нитями).
Существуют три системы филаментов, различающихся как по химическому
составу, так и по своей ультраструктуре, так и по функциональным свойствам.
1.	Самые тонкие нити — это микрофиламенты; их диаметр составляет
около 8 нм и состоят они в основном из белка актина.

2.	Другую группу нитчатых структур составляют микротрубочки,
которые имеют диаметр 25 нм и состоят в основном из белка тубулина.

3.	Промежуточные филаменты с диметром около 10 нм
(промежуточный по сравнению с 6 нм и 25 нм), образующиеся из разных, но
родственных белков [1].

Все эти фибриллярные структуры могут участвовать в качестве
составных частей в процессе физического перемещения клеточных
компонентов или даже целых клеток, кроме того, они же в ряде случаев
выполняют сугубо каркасную скелетную роль. Элементы цитоскелета
встречаются во всех без исключения эукариотических клетках; аналоги этих
фибриллярных структур встречаются и у прокариот.

Микротрубочки. Одним из обязательных компонентов цитоскелета
эукариот являются микротрубочки. Это нитчатые неветвящиеся структуры,
толщиной 25 нм, состоящие из белков-тубулинов и ассоциированных с ними
белков. Тубулины микротрубочек при полимеризации образуют полые трубки,
откуда и их название. Длина их может достигать нескольких мкм; самые
длинные микротрубочки встречаются в составе аксонемы хвостов спермиев.

Микротрубочки встречаются в цитоплазме интерфазных клеток, где
они располагаются поодиночке или небольшими рыхлыми пучками, или в
виде плотноупакованных микротрубочек в составе центриолей, базальных
телец и в ресничках и жгутиках. При делении клеток большая часть
микротрубочек клетки входит в состав веретена деления.

Фибриллярное образование (белковой природы), они находятся в
цитоплазме, образуют веретено деления; являются структурными
компонентами ресничек и жгутиков. Представляют собой прямые
неветвящиеся полые цилиндры. Основа микротрубочек — белок тубулин.
Они составляют эластичный, но при этом устойчивый каркас, необходимый
для поддержания формы клетки. Внешний диаметр около 24 нм, просвет
имеет ширину 15 нм. 13 субъединиц тубулина, выстроенных в виде
однослойного кольца. Микротрубочки не способны к сокращению, а
выполняют роль каркаса. Участвуют в формировании цитоскелета, среднее
время полужизни цитоплазматических микротрубочек составляет всего лишь
5 минут. Так за 15 минут около 80% всей популяции микротрубочек
обновляется. При этом отдельные микротрубочки могут на растущем конце
медленно (4-7 мкм/мин) удлиняться, а затем достаточно быстро (14-
17 мкм\мин) укорачиваться, среднее время полужизни цитоплазматических
микротрубочек составляет всего лишь 5 минут, быстро.
Одно из функциональных назначений микротрубочек цитоплазмы
заключается в создании эластичного, но одновременно устойчивого
внутриклеточного скелета, необходимого для поддержания формы клетки.

Были выделены белки, опосредованно связанные с микротрубочками и
ответственные за движение вакуолей. Один из них кинезин, белок с
молекулярным весом около 300 тыс. Он состоит из двух сходных тяжелых
полипептидных цепей и нескольких легких. Каждая тяжелая цепь образует
глобулярную головку, которая при ассоциации с микротрубочкой обладает
АТФ-азной активностью, в то время как легкие цепи связываются с
мембраной пузырьков или других частиц. При гидролизе АТФ изменяется
конформация молекулы кинезина и генерируется перемещение частицы в
направлении к (+)-концу микротрубочки. Кинезины связываются с
мембранами через мембранные белковые комплексы — кинектины.
Кинезины веретена деления участвуют в образовании этой структуры и в
расхождении хромосом.

Центриоли, Эти органеллы в делящихся клетках принимают участие в
формировании веретена деления и располагаются на его полюсах. Центриоли
обычно расположены в паре — диплосома, окружены зоной более светлой
цитоплазмы, от которой отходят тонкие фибриллы. Расположены по
окружности 9 триплетов микротрубочек, образующих полый цилиндр длиной
0.3—0,5 мкм. В диплосоме центриоли располагаются под прямым углом. При
подготовке к митозу происходит удвоение центриолей. Центриоли в
диплосоме расходятся, и около каждой из них образуется по одной новой
дочерней. В интерфазе происходит рост микротрубочек.

Основным белком микрофиламентов является актин. Актин имеет
молекулярный вес около 42 кДа. и в мономерной форме имеет вид глобулы
(G-актин), содержащей в своем составе молекулу АТФ. При его
полимеризации образуется тонкая фибрилла (F-актин) толщиной 8 нм,
представляющая собой пологую спиральную ленту. Актиновые
микрофиламенты полярны по своим свойствам. При достаточной
концентрации G-актин начинает самопроизвольно полимеризоваться. При
такой спонтанной полимеризации актина на образовавшейся нити
микрофиламента, один из ее концов быстро связывается с G-актином ((+)-
конец микрофиламента) и поэтому растет быстрее, чем противоположный
(минус-конец). Если концентрация G-актина будет недостаточной, то
образовавшиеся фибриллы F-актина начинают разбираться. В растворах,
содержащих т.н. критическую концентрацию G-актина, будет
устанавливаться динамическое равновесие между полимеризацией и
деполимеризацией, в результате чего фибрилла F-актина будет иметь
постоянную длину. Поэтому актиновые микрофиламенты представляют
собой очень динамичные структуры, которые могут возникать и расти или же.
наоборот разбираться и исчезать в зависимости от наличия глобулярного
актина. На растущем конце нити актина встраиваются мономеры,
содержащие АТФ. По мере нарастания полимера происходит гидролиз АТФ,
и мономеры остаются связанными с АДФ. Молекулы актина, связанные с
АТФ, прочнее взаимодействуют друг с другом, чем мономеры, связанные с
АДФ.

Кроме актина в клетках существует также толстые микрофиламенты из
белка миозина. Молекула миозина построена из 6 субъединиц, из 2-х
идентичных тяжелых цепей (2x223 кДа) и четырех легких цепей (4x20 кДа),
связанных нековалентно. Каждая тяжелая цепь имеет форму длинного
стержня длиной 150 нм с глобулярной головкой на N-конце и напоминает
клюшку от гольфа. Две тяжелые цепи связаны в спираль, а 4 легкие связаны с
глобулярными головками. Образует в мышце толстые миозиновые
филаменты, пучки из сотен молекул миозина, расположенные параллельно.
Головки обладают Са2+-АТФазной активностью. Принципы взаимодействия
миозина с актином — является движущей силой сокращения мышц.

Также в клетке имеются органы движения — реснички и жгутики;
микрофиламенты из актина, миозина. Актиновые микрофиламенты
формируют цитоскелет, участвуют в формировании ворсинок, формируют
межклеточные контакты и адгезионные [7].

Цитоскелет необходим также для формирования контактов клетки с
межклеточным веществом и другими клетками (для формирования тканей и
органов). Контакты формируются благодаря белковым молекулам. На
примере просто устроенного адгезионного кантакта видно, что
примембранные актиновые микрофиламенты через промежуточные белки
связываются с трансмембранным белком адгезии — интегрином, который в
свою очередь связывается с гликопротеином с внешней стороны клетки
(фибронектином). Фибронектин имеет 7—8 доменов для связывания с белками
и гликозаминогликанами межклеточного вещества (рис. 6.7).

Макромолекулы
внеклеточного матрикса

Рис. 6.7. Формирование адгезионного контакта.

Актиновые нити
На цитоплазматической стороне клеточной мембраны b-СЕ интегрина
связывается с талином, взаимодействующим с винкулином. Последний
связывается с а-актинином, образующим поперечные связи между
актиновыми нитями. Кроме того, а-актинин взаимодействует с
цитоплазматической частью Ь—СЕ интегрина. Подобным образом в единую
систему объединяются макромолекулы внеклеточного матрикса, клеточная
мембрана и элементы цитоскелета.

Клетки способны к перемещению только после дезинтеграции
адгезионных контактов. Подобную картину наблюдают при выселении
злокачественных (трансформированных) клеток из опухоли и при их
метастазировании, когда отдельные трансформированные клетки отделяются
от опухоли, мигрируют и образуют новые опухолевые очаги (метастазы).

Включения. Необязательный компонент клеток — включения с
питательными веществами или продуктами жизнедеятельности. Включения
могут быть секреторными (БАВ), экскреторные (продукты метаболизма),
пигментные (каротин).

Литература

1.	Ю.С. Ченцов "Введение в клеточную биологию. Общая цитология" учебное
пособие, МИА, 2005

2.	Тейлор Д., Грин Н., Стаут У. Биология: в 3-х т. Пер. с англ./Под ред. Р. Сопера
— 3-е изд., — М.: Мир, 2004. — 454 с., ил.

3.	А.В. Теремов, Р.А. Петросова "Биология. Биологические системы и процес-
сы. 10 класс: учеб, для общеобразоват. организаций (углублённый уровень)",
8-е изд.,испр. - М.: Мнемозина, 2017. — 399с.: ил.

4.	Peter Novick, Susan Ferro, Randy Schekman Order of events in the yeast secreto-
ry pathway. Cell. 25, (1981), 461-469;

5.	GrifFI.C., Schekman R., Rothman J.E., Kaiser C.A.. The yeast SEC 17 gene prod-
uct is functionally equivalent to mammalian alpha-SNAP protein. J. Biol. Chem.
267, (1992),12106-12115;

6.	Д. Нельсон, M. Кокс "Основы биохимии Ленинджера: в 3 т", Лаборатория
знаний, 2022;

7.	Гистология под ред. Э.Г. Улумбекова, Ю.А. Челышева, ГЭОТАР-Медиа Год:
1997.

Приведенные рисунки взяты из открытых источников
7. Идеи системности и самоорганизации в
биофизике. Диссипативные системы, активные
среды. Симметрии и преобразование энергии

Материалы этой главы посвящены изложению общих представлений
относительно теории систем, процессов самоорганизации в
термодинамически неравновесных нелинейных системах, связанных с
преобразованием энергии, производством энтропии, возникновением
упорядоченности и сменой симметрий. Все (!) эти направления научной
мысли непосредственно связаны с процессами возникновения, развития и
функционирования живых систем на всех уровнях их организации — от
субмолекулярного и клеточного до биосферного и антропосферного.
Иллюстрации, определения, формулировки закономерностей и
многочисленные пояснения представлены в приложении — презентации
лекций В.А. Твердислова.

Основы общей теории систем

Идеи системного подхода имеют давние традиции, восходящие к
трудам Лао-цзы (VI в. до н.э., представления о естественном пути
возникновения, развития и исчезновения всех «вещей» и о материальной
первооснове их существования), греческих философов, И.В. Гете (форма как
модель взаимоотношений внутри целого), И. Канта (организмы как
самоорганизующиеся целостности), А. фон Гумбольдта (теория совместной
эволюции живых организмов, климата и земной коры), Р. Вирхова
(взаимодействия между молекулярными блоками как биологические
функции), Луи Пастера (хиральность как функция биологической эволюции).
Но, по существу, общую теорию систем как нового перспективного научного
направления создал и обосновал А.А. Богданов (1873-1928) в научном трудах
«Всеобщая организационная наука», «Краткий курс экономической науки»
(1897), «Основные элементы исторического взгляда на природу» (1899),
назвав новую науку тектологней (tekton с греч. — строитель). В основу
тектологии как раз и положены принципы системности £1J:

•	система рассматривалась не только как состояние, но и как процесс,
организационными связями которого являются обратные связи',

•	целое больше суммы его частей — принцип неаддитивности и органи-
зованности',

•	если система состоит из подсистем высшей и низшей ступеней органи-
зованности, то ее поведение определяется низшей подсистемой —
тектологический закон.

Некоторые положения тектологии предвосхитили идеи современной
кибернетики (принцип обратной связи, идеи моделирования и др.). Развитие
общей теории систем продолжили С.Н. Булгаков и В.А. Базаров (первая треть
XX в). Но в научно-производственную и управленческую практику она
вошла лишь во второй половине XX в., благодаря блестящим трудам
австрийского биолога Людвига фон Берталанфи, который определил общую
теорию систем как логико-математическую область исследований. В его
теории можно проследить развитие идей тектологии:

•	выделение универсальных свойств сложных систем — принцип изо-
морфизма систем

•	создание системных задач, прежде всего, для разработки математиче-
ского аппарата описания типологически несходных систем

•	теория открытых систем и состояний подвижного равновесия, расши-
рение физхимии, кинетики и термодинамики.

Общая теория систем включает следующие основные понятия.

Теперь подробнее. Система — совокупность взаимосвязанных
элементов, образующих единый в конкретном рассмотрении объект —
структурно-функциональную целостность. Системный анализ — это
методология исследования сложных объектов посредством представления их
в качестве систем. Системы выделяются исходя из целей исследования: с
одной стороны, система рассматривается как единое целое, с другой — как
совокупность элементов, характеризуемых набором индивидуальных свойств
и своей «предысторией». Для относительно простых систем характерна
аддитивность — тип отношений между системой и ее подсистемами
(«целое равно сумме частей», например, масса материальной системы, ее
линейные размеры). В общем случае целое обладает качественно новыми
свойствами — правило неаддитивности («переход количества в качество»).
Целое не может быть познано и объяснено на основе только знаний о его
частях. В этом и заключается отличие системного подхода от редукционизма
— линейного проецирования свойств общего на свойства частного.
Справедливой предполагалась и обратная экстраполяция. В глазах ученого
мира столь разная по своим физическим и химическим структурным основам
материальная Вселенная оказалась неожиданно универсальной в
пространственно-временных проявлениях своего развития как проточной
диссипативной системы. Подобное движение мысли произошло благодаря
смене парадигм мышления: от линейной декартовой — к нелинейной
синергетической.
Элемент — структурный компонент системы, обладающий ее
свойствами. Согласно правилу неаддитивности, разложение элемента влечет
изменение его свойств. Основные характеристики любой системы.
границы, структура, характер связей между элементами системы, а также
между системой и внешней средой, свойства системы (элементов и целого).
Границами системы являются пределы действия закона композиции. Эта
важная характеристика системы связана с ее целостностью и устойчивостью
к внешним воздействиям. Структура системы характеризуется ее
иерархичностью, а также пространственно-временным соотношением
слагающих ее элементов и их связей. Пространственный аспект
характеризует порядок расположения элементов в системе и их соподчинение
— иерархию, а временной аспект отражает динамику состояний системы во
времени (состояния подсистем и их взаимоотношений). Для процесса
самоорганизации минимальное число взаимодействующих элементов должно
быть не менее 2-х, а максимальное — не ограничено. В пределе стирается
дискретность элементов системы и ее удобнее рассматривать как
рассредоточенную (распределенную).

По структуре различают следующие типы систем'.
централизованные, децентрализованные, жесткие, дискретные (содержащие
хотя бы один элемент, у которого выходная величина изменяется скачками,
даже при плавном изменении входных параметров), непрерывные (состоят из
элементов, выходные параметры которых изменяются плавно при плавном
изменении входных параметров).

По разнообразию структурных элементов'. гомогенные,
гетерогенные, смешанного типа.

По размерности', одномерные и многомерные.

По типам пространственной структуры, линейные, иерархические,
сетевые, матричные. С точки зрения биофизики наибольший интерес
представляют сложные и самоорганизующиеся системы. Сложные системы
— это системы, отличающиеся разветвленной структурой и большим
разнообразием внутренних связей.

Самоорганизующиеся системы, сочетание жесткой системы с
автономией подсистем — достаточное условие для самоорганизации и
устойчивости системы.

Иерархия — принцип структурной организации сложных
многоуровневых систем, состоящий в упорядоченном взаимодействии между
упорядоченными уровнями в порядке от высшего к низшему. Каждый из двух
или более взаимодействующих уровней выступает как управляющий по
отношению к нижним и как подчиненный по отношению к верхним уровням.
В иерархически выстроенной системе, наряду со структурной
дифференциацией, имеется функциональная дифференциация, т.е. каждый
уровень специализируется на выполнении определенного круга функций, при
этом более высокие уровни, в основном, специализируются на
интегративных функциях. В соответствие с законом композиции, компоненты
системы объединяются на основе взаимодействия. Принцип иерархичности
характерен и для биосферных и для социальных систем (церковь, армия). В
реальных системах иерархичность сочетается с автономией подсистем,
достаточной для их внутренней самоорганизации, определяющей
устойчивость всей системы.

Основные характеристики иерархических систем [2]:

•	Дискретность

•	Временная последовательность образования уровней

•	Рост зависимости последующих уровней от предыдущих

•	Разница в скоростях пространственно-временных процессов: геосинк-
линальные (100—500 млн. лет) — орогенные (50 млн. лет), типостаз
(сотни млн. лет) — типогенез — (10-30 млн. лет).

•	Возрастание информационных потоков по вертикали.

•	Усложнение сети прямых и обратных горизонтальных связей - предпо-
сылка порогового перехода на новый иерархический уровень (самоор-
ганизация)

•	Усложнение сети прямых и обратных вертикальных связей — основа
устойчивости стратифицированной системы (системы расслоения)

•	Снижение числа степеней свободы по мере подъема по иерархической
лестнице (проявление — последовательность нарушений симметрии)

•	Смена знака хиральности в исходно гомохиральных системах при пере-
ходе на следующий уровень — необратимый процесс.

Характер связей определяется линейными и нелинейными, прямыми
и обратными, положительными и отрицательными взаимодействиями
(связями). Связи между подсистемами характеризуются определенным
материальным наполнением. Функционирование низших подсистем в
иерархии, как правило, связано с большим удельным потреблением
(преобразованием) различных видов энергии и, соответственно, с большим
производством энтропии. С подъемом по иерархической лестнице
снижается не только энергопотребление на каждом из уровней, но и
энергообмен между ними. Зато возрастают информационные потоки,
направленные на согласование горизонтальных и вертикальных процессов
иначе говоря, самоорганизация охватывает и сами горизонты, и сеть
связей между ними.
Элементы, связи и сама система в целом характеризуются рядом
свойств [2]:

1.	Неаддитивность — важнейшее системное свойство.

2.	Поведение системы определяется ее структурой и характером связей
между элементами.

3.	Система может одновременно состоять из подсистем и сама быть ча-
стью иерархически более высокоорганизованной системы те быть под-
системой.

4.	Каждый элемент системы может оказать влияние на развитие обще-
системных процессов — «принцип домино» и наоборот.

5.	Система стремится сохранять устойчивость путем реализации связей
между элементами.

6.	Система характеризуется наличием прямых и обратных связей между
элементами: положительные связи усиливают происходящие в ней из-
менения, отрицательные — ослабляют.

Системы реальных материальных объектов характеризуются
масштабами и уровнями. Иерархические эволюционирующие системы,
элементы которых связаны потоками вещества, энергии и информации, могут
быть отнесены как к динамическим, так и к сложным системам.

Основные характеристики сложных систем:

1.	Причина и следствие жестко не связаны ни во времени, ни в простран-
стве.

2.	Нелинейны и контринтуитивны, поэтому часто нечувствительны к из-
менениям многих параметров системы в данный момент времени и в
данном пространстве (границы системы), а долгосрочная реакция на
внешние воздействия часто оказывается прямо противоположной
краткосрочной реакции на это изменение.

3.	Состояние элемента и его выходные сигналы в каждый момент време-
ни определяются внутренними параметрами системы (предыдущими
состояниями и входными сигналами всей сети) внешними параметра-
ми системы.

Самоорганизация. Синергетика. Основные понятия.

Теория систем, как и кибернетика, оперирует преимущественно пред-
ставлениями о дискретных системах. Обе они не рассматривают конкретных
физических и химических, биологических или социальных механизмов
взаимодействий в системах. Синергетика описывает реальные системы
преимущественно с помощью непрерывных моделей — линейных или
нелинейных дифференциальных уравнений. При этом в рассмотрение уже
вовлекаются конкретные подходы и методы соответствующих наук. Оба
подхода правомерны, а предпочтения в их использовании основываются на
особенностях систем и уровне наших знаний и умений.

Обратная связь означает передачу информации о результате любого
процесса к их первоисточнику. Впервые представления о петлях обратной
связи были развиты в статье Норберта Винера, Джулиана Бигелоу и
Артуро Розенблюта «Поведение, цель и телеология», 1943 г. [3]: в основе
концепции обратной — идея круговой причинности как логической схемы и
впервые применили ее к модели поведения живых организмов
(поведенческие функции доминируют над сознанием). Понятие
«информация» обретает смысл только тогда, тогда имеются системы,
способные кодировать и декодировать низкоэнергетические сигналы,
влияющие на их развитие. Таким образом, информацию можно определить
как общенаучное понятие, подразумевающее обмен сведениями (сигналами)
между объектами. Информационные потоки являются важным фактором
эволюции природно-антропогенных экосистем.

Синергетика — междисциплинарное направление научных
исследований, в рамках которого изучаются процессы перехода открытых
нелинейных систем между крайними состояниями (порядок-беспорядок,
регулярность—хаос, симметрия — асимметрия) в средах различной природы.
Синергетика изучает коллективное (упорядоченное в пространстве,
кооперативное) поведение сложных систем с когерентным (согласованным во
времени) взаимодействием их элементов. В биологических системах термин
«синергия» фактически означает, что воздействующие на них факторы
внешней среды и внутреннего развития самих систем действуют неаддитивно
— это и есть проявление их нелинейности. Проявляя свое воздействие
одновременно, различные факторы могут взаимно усиливать, нейтрализовать
или уменьшать взаимное влияние, что способно приводить к
непрогнозируемому результату.

Заметим, что термин «синергия» пришел в современную науку из
средневековья от врачевателей и алхимиков, заметивших, что суммарный
эффект воздействия нескольких лекарств далеко не обязательно равен
сумме их независимых воздействий на больного из-за их взаимодействия.
Кстати, и термин «кибернетика» пришелк нам чуть ли не из античных
времён, и означал он науку управления государством государями
(компьютеров в те времена было очень мало). У знаменитого физика Ампера
была на эту тему даже книжка с подобным названием.
У. Росс Эшби (пионер в изучении сложных систем, стоял у истоков
современной кибернетики), следуя философам-классикам, охарактеризовал
два наиболее общих метода системного исследования:

•	от общего к частному (детальнее разработано Л. фон Берталанфи)

•	от частного к общему.

Г. Хакен, один из основателей синергетики развил ключевые положения
синергетики [4]:

•	системы состоят из нескольких однородных/разнородных взаимодей-
ствующих элементов

•	неаддитивность и нелинейность

•	при рассмотрении физических, химических и биологических систем
речь идет об открытых системах

•	системы могут быть нестабильными, подверженными качественным
изменениям

•	возникают пространственные, временные, пространственно-
временные структуры

•	структуры могут быть упорядоченными или хаотическими

Научная база синергетики:

•	Теория колебаний (переменный ток, колебания температуры, эконом.,
истор., популяционные, солнечные циклы)

•	Теория волновых процессов (распространение теории колебаний на
пассивные распределенные системы)

•	Теория автоволновых процессов (активные распределенные системы)

•	Теория динамического хаоса (Э.Н. Лоренц . 2-хуровневая модель ат-
мосферы

•	Теория диссипативных структур И. Пригожин

•	Теория фазовых переходов

•	Теория бифуркаций и катастроф

•	Теория самоорганизации

Самоорганизация — это процесс упорядочения в системе за счет
внутренних факторов, без какого-либо внешнего управляющего воздействия
(считается, что мы интуитивно понимаем, что такое «упорядоченность»).
Г. Хакен назвал синергетику наукой о самоорганизации: «Самоорганизация
— процесс упорядочения (пространственного, временного или
пространственно-временного) в открытой системе — системе, которая
обменивается веществом и энергией с внешней средой, а для биологических
и экологических систем — еще и информацией — за счет согласованного
взаимодействия множества элементов ее составляющих» [4]. Синергетика
предполагает эволюцию в пространстве и времени. Диссипативная
самоорганизация системы предполагает, что система открыта, содержит
неограниченно большое число элементов (подсистем) и имеет стационарный
устойчивый режим работы, когда элементы взаимодействуют хаотически
(некогерентно, т.е. несогласованно во времени).

Характеристики процесса самоорганизации:

•	интенсивный обмен энергией, веществом и информацией с окружаю-
щей средой, не вызывающий упорядочение в системе;

•	система содержит неограниченно большое число элементов (подсис-
тем);

•	для возникновения процесса самоорганизации минимальное число
взаимодействующих элементов должно быть не менее 2-х;

•	наличие обратных связей;

•	поведение макросистемы описывается параметрами порядка и управ-
ляющими параметрами;

•	при преодолении некоторого критического значения управляющего
параметра (связанного с поступлением энергии/вещества) система
спонтанно переходит в новое упорядоченное состояние, что позволяет
скачкообразно увеличить диссипацию энергии и экспорт энтропии;

•	новое состояние обусловлено согласованным (когерентным) поведени-
ем элементов системы, эффект упорядочения проявляется только на
макроскопическом уровне;

•	новое состояние существует только при безостановочном потоке энер-
гии/вещества в систему;

•	при увеличении интенсивности обмена система проходит через ряд
критических переходов, в результате чего структура усложняется
вплоть до возникновения хаоса.

Процессы самоорганизации могут происходить в динамических
системах двумя путями [2]:

1.	В иерархических системах под управлением слабых сигналов, имею-
щих возможность за счет структурно-функциональный связей системы
управлять потоками энергии и вещества, создавая новые структуры.

2.	В сетевых системах за счет непосредственного нелинейного взаимо-
действия потоков в открытых системах, формирующего новые дисси-
пативные структуры.

Самоорганизация протекает на разных уровнях организации живой
материи: молекулярном, клеточном, жидкостном (гуморально-гормонально-
ионные взаимодействия, барьерные функции, иммунитет), тканевом, нервном
(центральная и периферические системы), организменном, популяционном
(многоклеточные организмы), биосферном.

На физико-химическом уровне самоорганизация определяется
факторами внешней среды и внутренними свойствами системы. На
биологическом клеточном уровне «запрограммирована» генетически, т.е.
самоуправляема (этот уровень является в значительной степени
консервативным, а не открытым). На социальном уровне самоорганизация
вновь охватывает всю систему. Физико-химический и социальный уровни
являются активными средами и подчиняются законам синергетики.
Биологический уровень (клетки и органеллы) — специализированные
молекулярные или физико-химические машины и описываются с
помощью механики, термодинамики и кинетики [2].

Особо следует подчеркнуть важность понятия «самоорганизация» как
элемента процессов эволюции (не только биологической), состоящего из
образования «пространственно-временных структур в неравновесных
системах». Под термином «эволюция» понимается не столько
наблюдаемое со временем изменение функций и структуры системы,
сколько их совместное развитие. Определены два типа эволюции: эволюция
во времени при фиксированных управляющих параметрах внутри одного
процесса (характерна для квазиравновесных систем) и эволюция со сменой
процессов, определяемых значением управляющих параметров (относится к
неравновесным системам). Природно-антропогенные системы, как и все
экосистемы, развиваются по второму типу.

Нелинейность — одно из основных понятий синергетики. Нелинейны
все окружающие нас процессы — от ядерных реакций, работы сердечно-
сосудистой системы и всего организма в целом и обычного творческого
процесса до эндо- и экзогенных процессов на Земле, вспышек на Солнце и
окружающих нас социально-экономических изменений. Нелинейная
система — динамическая система, в которой протекают процессы,
описываемые нелинейными дифференциальными уравнениями. В отличие от
линейной системы она не обладает свойствами суперпозиции: частота
выходного сигнала зависит от его амплитуды и др. В нелинейных системах
среда существенно изменяет форму сигналов и их спектральные
характеристики (например, частоту).

Неустойчивости Бенара или ячейки Бенара — пример
неустойчивости стационарного состояния, приводящие к возникновению
спонтанной организации в системе — порядка через хаос. Эта
неустойчивость возникает в горизонтальном слое жидкости при наличии
вертикального градиента температур. Граничные условия процесса — нагрев
нижнего слоя до заданной температуры. В результате возникающей разности
температур в жидкости устанавливается идущий снизу вверх поток нагретой
жидкости (рис. 7.1). Эти конвективные ячейки сорганизуются в пространстве
(при равномерном прогреве снизу они становятся одинаковыми, а
образующаяся структура с наиболее плотной упаковкой — гексагональной).
При постепенном увеличении нагрева системы самоорганизовавшийся
регулярный конвективный режим срывается в хаотический, поскольку своей
пространственной структурой уже не может обеспечить необходимый проток
теплоты (рис. 7.2). При дальнейшем увеличении нагрева вновь образуется
подобная предшественнице регулярная гексагональная структура
конвективных ячеек, но уже с меньшими их размерами. Возникающая при
определенном градиенте температур конвекция порождает сложную
пространственную организацию системы, и организованное движение
жидкости позволяет выносить наружу из системы больше теплоты и, со-
ответственно, увеличивать экспорт энтропии. Скачки в рассеянии и
диссипации энергии, а также в производстве энтропии соответствуют точкам
бифуркации. Это самоорганизующаяся сложная система, которой
свойственно скачкообразное изменение состояния при прохождении точки
бифуркации. При постепенном увеличении нагрева системы
самоорганизовавшийся регулярный конвективный режим срывается в
хаотический, поскольку своей пространственной структурой уже не может
обеспечить необходимый проток теплоты. Однако при дальнейшем
увеличении нагрева вновь образуется подобная предшественнице регулярная
гексагональная структура конвективных ячеек, но уже с меньшими их
размерами (рис. 7.3).

Рис. 7.1. Образование
термоконвективных
ячеек Бенара в подог-
реваемой вязкой жид-
кости.

Рис. 7.2. Схема возникновения ре-
жимов генерации регулярных кон-
вективных диссипативных структур
в зависимости от температуры ниж-
него слоя жидкости: 0 и 1 — хаоти-
ческий и регулярный режимы.

Рис. 7.3. Ячейки
Бенара.

Обращаем внимание читателей на то, что смена режимов
поведения данной диссипативной системы (перестройка потоков
переноса вещества и энергии) напрямую связана с изменением типа или
7. Идеи системности и самоорганизации в биофизике 101
масштаба симметрии (векторного вначале, и поочередно хаотического и
гексагонального), иначе, «нарушением симметрии. Переход от
ламинарного движения нагреваемой жидкости снизу вверх к
формированию сцепленных потоками гексагональных ячеек, а затем их
хаотическое разрушение как раз и есть сопряженное изменение потоков
энергии и ранга симметрии. Путь от высокой степени симметрии
хаотического турбулентного движения жидкости к появлению
пространства связанных гексагональных конвективных ячеек есть
признак самоорганизации, связанный с понижением симметрии.

Вблизи точки бифуркации неравновесная система оказывается особо
чувствительной и к незначительным флуктуациям (возмущениям) того или
иного параметра, и флуктуации становятся «гигантскими». Как правило, в
процессе эволюции системы наблюдается цепь бифуркаций, например:
геологическая история Земли, разделение Природы на живую и неживую,
ветвление филогенетического древа, выделение вида Homo sapiens,
постадийная социально-экономическая эволюция общества (смена
формаций), глобальные экологические и антропогенные катастрофы и т.д.
При этом существует вероятность реализации обеих ветвей траектории
развития системы, но в каждой точке бифуркации в определенном
пространственно-временном интервале реализуется лишь одна ветвь. В
пороговом состоянии течение процессов неоднозначно из-за внешних
воздействий и флуктуаций в системе, так же как и непредсказуема новая
организация, возникающая после прохождения порога - «точки бифуркации.

Снова обращаем внимание читателей на важную особенность
бифуркационного перехода: в поле классических физических флуктуаций,
не имеющих внутренней пространственно-временной структуры,
спонтанно возникают образования макроскопического масштаба,
обладающие выраженным типом симметрии. Это и есть гигантские
флуктуации, вступившие в процесс эволюции через новый уровень
организации.

Выявление синергетических закономерностей позволяет
интерпретировать различные явления, обусловленные взаимодействием
самоорганизующихся экосистем с внешними физическими и химическими
факторами природного и антропогенного происхождения, моделировать
динамические процессы возникновения пространственно-временных
структур в многокомпонентных системах различной природы на
макроскопическом уровне.
3.	Активные среды как «почва» для процессов самоорганизации

Одним из общих методологических принципов, объединяющих
природные процессы самоорганизации и пространство человеческой
деятельности в ноосфере, могут служить представления об автоволновой
самоорганизации в активных средах [2]. Если характерное время основного
процесса значительно больше времени переноса (передачи энергии, вещества
или информации между соседними частями системы), то мы имеем дело с
сосредоточенной или точечной системой. Процессы в такой системе
синхронны (синфазны). Когда времена переноса сопоставимы с
характерными временами самих процессов или превышают их, система
становится распределенной системой. Сосредоточенные или точечные
динамические системы моделируются конечным числом обыкновенных
дифференциальных уравнений. Они описываются с помощью
конечномерного фазового пространства и характеризуются конечным числом
степеней свободы. Одна и та же система в различных условиях может
рассматриваться как сосредоточенная или как распределенная.

Активная среда — точечная или распределенная система, для которой
применимо описание в терминах «реакция—диффузия». Значительное число
биологических объектов, биоценозы, экосистемы, а также социальную сферу
общества можно рассматривать в качестве иерархий сопряженных
протяженных систем, каждая из которых является активной средой,
поддерживающей энергией развитие происходящих в ней процессов на всем
ее пространстве.

К общим свойствам активных сред относится наличие распределен-
ного ресурса энергии, вещества, информации, способного обеспечивать
идущие в системе процессы самоорганизации в каждой точке пространства, и
наличие спонтанно формирующихся водителей ритма (пейсмейкеров),
модулирующих эти процессы [8]. А также нелинейность систем, которые
могут быть описаны в терминах «реакция — диффузия — автокатализ».

Как мы отметили, в точечной (сосредоточенной) активной среде
характерные времена переноса между элементами системы существенно
меньше характерных времен локальных процессов, в распределенных
системах — наоборот. Точечные системы могут находиться в автоко-
лебательных режимах, распределенные — в автоволновых. Вследствие
существования рефрактерных зон (зон восстановления или регенерации
системы) исключены явления интерференции. Возможна генерация
различных динамических режимов: регулярных автоколебательных и
автоволновых, а также нерегулярных — хаотических.

Свойство самоорганизации проявляется в образовании автоволновых
диссипативных структур, формирующих выделенные степени свободы. В
ходе автоволновой самоорганизации активные среды способны сопрягать
процессы соизмеримого временного и пространственного масштабов.
Подобные системы становятся когерентными и сравнимыми по длинам
автоволн в границах относительно простых диссипативных структур.

В однородных активных средах скорость распространения, длина и
форма автоволн постоянны и не зависят от начальных и граничных условий -
модельные системы.

Неоднородные активные среды вследствие наличия порогового
эффекта могут гасить автоволновые процессы

В латеральной системе взаимодействие хиральных процессов с
хиральными структурами может изменить соотношение зеркальных
компонентов в исходных процессах. Взаимодействие изменяющихся
процессов и структур в латеральной системе регулируется обратными
связями между уровнями иерархической структуры и может изменить
соотношение процессов и структур в общей системе

Тенденции к образованию тривиальных однородных структур в
активных средах имеют склонность к трансформации в хиральные паттерны
в неоднородных средах: плоские или концентрические автоволны при
попадании на наклонный барьер, в зависимости от направления наклона,
трансформируются в спиральные автоволны разных знаков хиральности —
в правые или левые ревербераторы. Такая эволюция необратима.

В системах, составленных иерархией активных сред, переходы с
нижнего на высший уровень сопровождаются сменой знака хиральных
структур или процессов и изменением механизмов их формирования и
пространственно-временных характеристик. Взаимодействие хиральных
процессов, характерные времена, длины волн регулируются обратными
связями между уровнями иерархической структуры. В подобных
диссипативных системах происходит деградация свободной энергии с
образованием автоволновых структур, устойчивых в протоке энергии:

Автоволновой называется динамическая система, преобразующая
энергию распределенного источника в энергию незатухающих
распространяющихся колебаний. Энергия автоволной не переносится, а
высвобождается. Автоволны — яркий пример диссипативной структуры,
имеющий непосредственное отношение к самоорганизации в клетках,
органах и экосистемах. Изменение внутреннего состояния активной среды,
определяемое звеньями (сетями) прямых и обратных (положительных и
отрицательных) связей, приводит к неустойчивому состоянию неравновесной
системы, что вызывает динамический процесс самоорганизации —
появление новой структуры. Основой процессов самоорганизации в
активных средах является возможность возникновения в них
автоколебательных и автоволновых режимов, приводящих к эволю-
ционированию систем, их пространственно-временной регуляризации.
Опять-таки, и здесь мы наблюдаем череду нарушений симметрии.

Наиболее известный пример, позволяющий выделить характерные
режимы пространственно-временного поведения активной среды —
колебательная химическая реакция Белоусова-Жаботинского [9].
Периодическая цветопеременная реакция, открытая Б.П. Белоусовым в
1951 г., была впервые воспроизведена и исследована на кафедре биофизики
физического факультета МГУ. Первыми исследователями её механизмов
были А.М. Жаботинский, В.А. Вавилин, А.Н. Заикин, выпускники и
сотрудники кафедры.

В каждой точке реактора происходят самопроизвольные колебания
концентраций промежуточных продуктов, сопровождающиеся изменением
цвета раствора. Если весь объем реактора быстро перемешивается, система
ведет себя, как точечная — осцилляторы связаны перемешиванием. В этом
случае во всем объеме наблюдаются синфазные самоподдерживающиеся
осцилляции — автоколебания — раствор периодически изменяет цвет. При
отсутствии перемешивания в тонком слое жидкости система становится
распределенной — двумерной активной средой, в которой точечные
осцилляторы последовательно взаимодействуют друг с другом, что в
однородной среде сопровождается появлением распространяющихся
концентрических цветных пространственных структур — автоволн
(рис. 7.4, а). Эти кольцевые (концентрические) волны распространяются
вокруг водителей ритмл — спонтанно возникающих на неоднородностях
(флуктуациях) центров колебаний. Концентрические — круговые волны,
следующие друг за другом из одного центра — периодически колеблющегося
точечного водителя ритма. Далее вступает в процесс усиления флуктуаций в
активной среде явление автокатализа. Распространяясь, автоволны не
изменяют своей амплитуды, как это бывает с волнами в пассивной среде, где
они затухают (как, например, звуки в воздухе). Автоволны не проходят друг
сквозь друга, а аннигилируют при столкновении (за автоволной находится
рефрактерная зона, где активная среда восстанавливает свой ресурс).
Водитель ритма с самой высокой собственной частотой постепенно
захватывает «территорию» конкурентов и втягивает всю систему в работу со
своей частотой (вплоть до полного истощения запаса свободной энергии в
системе). Биоэкологическая аналогия «белоусовской» физико-химической
системы — концентрические кольца лишайников (рис. 7.4,6).
а — концентрические концентрационные волны
в реакции Белоусова (фото А.М. Жаботинского,
А.Н. Заикина, В.А. Вавилина)

б — концентрические кольца,
образуемые лишайником
Parmelia centrifuga (фото

С.Э. Шноля

Рис. 7.4. Концентрические автоволны.

В неоднородных активных средах или при внешних возмущениях
происходит искажение волнового фронта, возможен его разрыв,
возникновение и размножение спиральных автоволн — «ревербераторов.
Действительно, в реальных системах с локальными неоднородностями
(механическими включениями, градиентами pH, ионной силы, температуры,
хим. состав) фронт плоских автоволн (фрагментов круговых) может
разрываться с образованием L и D спиральных автоволновых структур,
которые закручиваются и «наматываются» во встречных направлениях [2].

Элементы термодинамики равновесных и неравновесных систем

Термодинамика направлена на изучение взаимосвязей между энергией,
теплотой, работой и температурой. Классическая (равновесная)
термодинамика - наука о самых общих свойствах макроскопических систем,

находящихся в состоянии термодинамического равновесия, а также о
характеристиках переходов между этими состояниями (наука о законах
преобразования и передачи энергии). Классическая термодинамика не
рассматривает структуру вещества, из которого состоит конкретная
термодинамическая система, механизмы процессов преобразования форм
энергии и исключает из рассмотрений время как параметр развития
процессов. Вместе с тем, термодинамика позволяет характеризовать наиболее
общие переходы между различными (агрегатными, кристаллическими,
электрическими, магнитными) физическими состояниями вещества (фазовые
переходы) или общие характеристики химических превращений. Физико-
химические основы биохимии, биофизики, молекулярной биологии,
физиологии построены на представлениях сначала классической
термодинамики, а затем и термодинамики открытых неравновесных систем.

Открытой системой называется термодинамическая система, которая
может обмениваться веществом, энергией, импульсом и информацией с
окружающей средой. Очевидно, что Земля, биосфера, экосистемы и
отдельные организмы относятся к открытым системам.

Направление самопроизвольно протекающих процессов устанавливает
второй закон термодинамики. Он может быть сформулирован в виде
запрета на определенные виды термодинамических процессов. Второй
закон термодинамики исключает возможность создания вечного двигателя.
Имеется несколько различных, но эквивалентных формулировок этого
закона:

Закон возрастания энтропии можно принять в качестве одной из
формулировок второго закона термодинамики, согласно которому скорость
этого движения к равновесию определяется свойствами системы
(конструкцией машины), а его направленность определяет «стрелу времени»
(формулировка И. Пригожина).

В контексте «энтропия в теории информации» понятия «энтропия» и
«мера информации» впервые использовал американский математик и
инженер Клод Шеннон (1916-2001), где Информация — это любой набор
сообщений. Мы рассмотрим только дискретные, состоящие из набора
символов, сообщения, т.е. сообщения, которые представляют собой
последовательности символов определенного заранее известного алфавита.

Шеннон предложил мерой количества информации считать
функцию, названную им энтропией, откуда прирост информации равен
утраченной неопределённости.

Согласно определению Винера, энтропия — мера хаоса, количество
информации — мера упорядоченности.

Понятие «информация» обретает смысл только тогда, тогда имеются
системы, способные кодировать и декодировать низкоэнергетические
сигналы, влияющие на их развитие. Таким образом, информацию можно
определить как общенаучное понятие, подразумевающее обмен сведениями
(сигналами) между людьми, человеком и компьютером, компьютером и
компьютером, обмен сигналами в животном и растительном мире, передачу
признаков от клетки к клетке, от организма к организму (генетическая
информация). Информационные потоки являются важным фактором
эволюции природных и природно-антропогенных экосистем. А энтропия, в
свою очередь, есть мера нехватки информации о структуре системы,
связанная со степенью ее неупорядоченности, хаотичности. С этого момента
появляется связь энергетических преобразований в системе с понятием
7. Идеи системности и самоорганизации в биофизике 107
информации, что нам позволяет ввести в рассмотрение динамических систем
информационные взаимодействия между подсистемами. В принципе, нас не
должна смущать множественность определений понятий энтропия и
информация, поскольку мы обсуждаем их проявления в разных системах.

Второе начало термодинамики гласит, что при переходе замкнутой
системы из одного состояния в другое энтропия системы либо увеличивается,
либо остается неизменной, т.е., при прохождении каких-либо процессов в
изолированной системы энтропия не убывает. В неизолированных системах
энтропия может и возрастать, и убывать, и оставаться неизменной. В
изолированной системе энтропия может оставаться неизменной лишь в
случае обратимых процессов. При необратимых процессах она возрастает. В
1947 г. теорему термодинамики неравновесных процессов сформулировал
И.Р. Пригожин (бельгийский физик, р. в 1917 г. в Москве, Нобелевская
премия по химии, 1977 г.). Теорема звучит следующим образом: при
внешних условиях, препятствующих достижению равновесия системой,
стационарному состоянию соответствует минимум производства
энтропии. Если таких препятствий нет, производство энтропии
достигает своего абсолютного минимума — нуля. Утверждение
справедливо только для стационарных условий. Согласно второму началу
термодинамики, в замкнутой изолированной системе (системе, не
взаимодействующей с окружающей средой) энтропия возрастает и стремится
к своему максимальному равновесному значению, а производство энтропии
— к нулю. В открытых системах ситуация существенно изменяется.

В неравновесных термодинамических системах (разумеется, и в
биологических) в которых имеются градиенты температуры, концентраций
компонентов, химических потенциалов и т.д., возникают необратимые
процессы, связанные с теплопроводностью, диффузией, химическими
реакциями, электрическими и магнитными эффектами и т.д. Эти процессы
обозначаются обобщенным термином «потоки» (7,), а вызывающие их
причины - «термодинамическими силами» (Х^. По сути — это отклонения
термодинамических параметров системы от равновесных значений или по
координатам как, например, по координате химического процесса, когда в
гомогенной системе химический потенциал системы отличен от
равновесного. В данном рассмотрении мы обсуждаем системы, находящиеся
невдалеке от положения равновесия, когда допустимы линейные
приближения.

Если некая сила «1» — градиент температуры, например, влияет на
некий поток (диффузию молекул), то сила «2» — градиент концентрации
воздействует на тепловой поток. Т.е. речь идет о примерах, известных из
курса физики. При малых отклонениях системы от термодинамического
равновесия потоки линейно зависят от термодинамических сил и
описываются феноменологическими уравнениями:

J^XkLikXk,	(4.2)

где Lik — кинетические (феноменологические) коэффициенты, величины
которых находят экспериментальным путем или рассчитывают теоретически;
Хк — термодинамическая сила, которая может вызывать поток J, и при i ф к в
перекрестных процессах.

Для описания сопряженных процессов используется соотношение
взаимности Л. Онсагера: в случае, когда отсутствует вращение системы
как целого или нет магнитного поля, матрица кинетических
коэффициентов в линейных законах симметрична — перекрестные
влияния обобщенных термодинамических сил на потоки одинаковы '.

Lik = Lki	(4.3)

Примеры взаимосвязанных перекрестных процессов:

Термодиффузионное сопряжение включает два явления:

1.	градиент температуры может вызывать поток вещества в многокомпо-
нентных системах — термодиффузия или эффект Соре;

2.	градиент концентрации может вызывать поток теплоты — диффузи-

онный термоэффект или эффект Дюфура.

Термоэлектрические явления:

1.	при нагревании места спая двух металлических проводников на их
концах появляется разность электрических потенциалов (термопара)
— эффект Зеебека;

2.	выделение или поглощение теплоты в проводнике с током, вдоль ко-
торого имеется градиент температуры, происходящее помимо выделе-
ния джоулевой теплоты — эффект Томсона;

Примером биологических систем, для которых адекватно
использование онсагеровского подхода, служат транспортные системы
клеточных мембран. Это ионный транспорт в градиенте электрохимического
потенциала в ионных каналах.

В рамках онсагеровского приближения рассматриваются перекрестные
линейные соотношения между потоками вещества и энергии в системах,
незначительно удаленных от состояния равновесия, и величинами
обобщенных вызывающих их термодинамических сил. Вместе с тем,
неравновесные процессы подразделяются на скалярные (химические реакции,
структурная релаксация, объемная вязкость), векторные (диффузия,
теплопроводность, электрический ток) и тензорные (вязкие сдвиговые
течения, тепло- и электропроводность неоднородных сред). Напомним, что
тензор — это математический объект, имеющий определенную систему
компонент в каждой рассматриваемой системе координат, причем при
преобразовании кординат его компоненты преобразуются по вполне
определенному (для данного случая) закону. Тензор нулевого ранга — скаляр,
тензор первого ранга — вектор, тензор второго ранга (тензор) — квадратная
матрица из 9 компонентов для трехмерного описания анизотропных сред.
Изотропные (скалярные) системы обладают высшей степенью симметрии.
Скаляр (масса, температура, заряд) во всех координатных системах является
скаляром. Примеры векторов: скорость, сила, напряженность электрического
поля.

Нелинейность систем, удаленных от состояния
термодинамического равновесия, проявляется не только в особенностях
развития таких систем во времени, но и в особенностях эволюции их
пространственной структуры. В соответствии с принципом симметрии
Кюри—Пригожина симметрия и асимметрия выступают как проявления
самоорганизации.

Принцип симметрии Кюри-Пригожина. В линейной области
необратимые процессы сопрягаются в соответствии со своим
тензорным рангом: скалярный (изотропный) процесс сопрягается только
со скалярным, векторный — с векторным. Внешние воздействия,
вызывающие различные явления в макроскопической системе, не могут
обладать более высокой симметрией, чем порождаемый ими процесс.
Изотропный процесс (например, экзотермическая химическая реакция в
гомогенной среде) не может вызвать направленного переноса теплоты или
каких-либо компонентов среды. Другими словами, не все процессы в
линейной области могут сопрягаться. Но в нелинейной области этот принцип
неприменим. В нелинейной области может произойти «потеря/нарушение
симметрии» или самопроизвольное возникновение пространственных
структур, имеющих выделенные направления, в исходно однородной среде.
Так происходит, например, в двигателе внутреннего сгорания, когда
изотропная по своей природе реакция окисления (сгорания) бензина
преобразуется, благодаря конструкции мотора, имеющего выделенные
степени свободы (направленое движение деталей), в направленное векторное
движение автомобиля.

Диссипативные структуры, о которых мы говорили выше —
регулярные в пространстве/времени образования, возникающие в открытых
системах в условиях диссипации энергии (рассеяния с понижением ее
качества до тепловой). Повышение упорядоченности внутри системы
(понижение энтропии) с необходимостью сопровождается
разупорядочиванием внешней среды (экспортом энтропии). Эти
представления были развиты в середине прошлого века И.Р. Пригожиным
[5,6]. Им же предложено образное выражение «стрела времени», отражающее
необратимый ход процессов в эволюционирующих системах, в том числе
экологических. Рассеяние запасенной в системе энергии (диссипация) или ее
проток необходим. Формируют диссипативные структуры количество
энергии, и, в первую очередь, особенности внутренних связей в системе,
которые канализируют потоки энергии и определяют траекторию эволюции
системы и ее элементов (например, метаболические пути в живых клетках
или трофические сети в экосистемах).

Неравновесные системы вблизи состояния равновесия линейны, а
существенно удаленные от равновесия системы — нелинейны. Нелинейные
системы (среды) способны эволюционировать по разным траекториям,
проходя через точки «ветвления» — бифуркации. Точки бифуркации
характеризуются неустойчивым состоянием систем, когда малые
флуктуации (слабые внешние или внутренние воздействия)
недетерминированным образом направляют систему на тот или иной путь
развития. Возможно, что система в этой точке разойдется на две
первоначально связанные, но уже обособленные системы. Так в процессе
биологической микроэволюции происходит видообразование, являющееся
источником биоразнообразия.

Основы теории бифуркаций были впервые изложены в работах
А. Пуанкаре и А.М Ляпунова. В общем случае этот термин означает
раздвоение (разделение). В нелинейной динамике бифуркация — это
качественное изменение динамического состояния системы, возможное и при
малом отклонении управляющих параметров. Или, другими словами,
бифуркация есть образование не менее 2-х стационарных состояний в
результате неустойчивого исходного стационарного состояния, т.е. изменения
управляющего параметра исходной системы.

Эволюционное усложнение системы сопровождается понижением
ее симметрии. Существует даже выражение «порядок есть нарушение
симметрии» (мы бы сказали: «понижение симметрии»). Хаос в
наивысшей степени симметричен: любая его точка подобна любой другой
и все направления равноправны. Высшей симметрией обладает
бесконечная однородная изотропная среда. К проблеме симметрии мы не
раз еще вернемся.

В равновесном или близком к равновесию состоянии существует только
одно стационарное состояние, зависящее от управляющих параметров. При
7. Идеи системности и самоорганизации в биофизике 111
некотором значении этих параметров система способна достичь порога
устойчивости термодинамической ветви — точки бифуркаций).

Если значение управляющих параметров меньше критического, то
возможно только одно устойчивое состояние системы, а если это значение
больше — два состояния. В зависимости от режима состояний любая из
ветвей может порождать разветвление, т.е. в критических пороговых точках
поведение системы становится неустойчивым и способно эволюционировать.
Так в неравновесных системах таких состояний может быть множество, а
выбор системы определяется свойствами самоорганизации вблизи точки
бифуркации, т.е. их чувствительностью к флуктуациям. Случайная
флуктуация во внешнем потоке часто называется шумом. Этот тип
флуктуаций — неотъемлемая составная любой биологической или
экологической системы, особенно это касается природно-антропогенных
систем, поскольку их параметры невозможно считать постоянными. Таким
образом, случайные флуктуации способны формировать системные режимы,
в частности переход в состояние хаоса.

Аттрактором называют точку устойчивого равновесия или
устойчивый периодический режим. В последнем случае аттрактор является
линией описывающей периодическое изменение параметров системы
(система придет к «предельному циклу»). Движение идеального маятника
без трения не имеет аттрактора, в то время как движение реального маятника
— диссипативной системы — останавливается, при любой начальной
скорости и любом начальном положении, благодаря эффекту трения в
положение равновесия, являющегося аттрактором. Даже самое слабое трение
настолько изменяет движение маятника по сравнению с идеальной моделью,
что точное предсказание хода реального маятника оказывается недостижимо.
Этот эффект называется «эффектом бабочки» и проявляется в
чувствительности детерминированной системы к малейшему изменению
начальных условий: со временем начальные отклонения приводят к
радикальному отклонению траектории развития системы от идеальной, т.е.
бесконечно мало различающиеся начальные условия приводят к различным
эволюциям. К простейшим типам аттракторов относятся: узел, фокус, центр,
седло, цикл.

Устойчивость систем — это способность к самосохранению и
саморегулированию в пределах, не превышающих пороговых воздействий, и
определяется внешним воздействием и изменениями структуры системы.
Любая система, будь то биологическая, социо-экономическая или
экологическая, в ходе своей эволюции претерпевает множество структурных
изменений, как в количественном отношении, так и в области
взаимодействия элементов системы. В этом случае мы имеем дело с реакцией
системы на включение новых элементов, изменяющих функциональные
системные процессы, — структурной устойчивостью. Далее
функционирование системы может протекать по двум направлениям:

•	если первородная система относительно вторжения новых элементов,
и, следовательно, связей, структурно устойчива, то «инноваторы»
уничтожаются, и система продолжает функционировать в прежнем
режиме;

•	если система неустойчива ввиду отключения/поражения механизмов
устойчивости, или скорость включения «инноваторов» значительно
больше скорости адаптации (как обратной отрицательной связи), сис-
тема может перестроиться на новый режим функционирования.

•	Добавим нестандартное для синергетики, теории систем и био-
физики утверждение: интуитивно очевидно, что устойчивая сис-
тема может быть составлена из устойчивых статических или
динамических элементов, но также интуитивно неочевидно, что
устойчивая система может быть сложена из неустойчивых эле-
ментов. Первый пример — вертикальная стена, сложенная из кирпи-
чей, второй пример — карточный домик, когда по отдельности ни одна
из карт не может самостоятельно находится в вертикальном положе-
нии.

Всякое изменение состояния физико-химических и биологических
систем связано с изменением их пространственно-временных характеристик,
причем процессы в них могут протекать или спонтанно (самопроизвольно),
или за счет сопряжения процессов, но всегда в рамках принципов
самоорганизации. При этом фактор симметрии и нарушений симметрии
играет принципиальную роль в сохранении стабильности или в процессах
эволюции систем.

Самоорганизация: симметрия и асимметрия в молекулярно-
биологических системах

На явление симметрии/асимметрии в живой природе обратили
внимание ещё в Древней Греции (5 в. до н. э.) в связи с развитием учения о
гармонии. В XIX в. появились работы, посвящённые симметрии растений
(О. П. Декандоль, О. Браво), животных (Э. Геккель), биогенных молекул
(А. Бешан, Л. Пастер и др.). В XX в. биообъекты изучали с позиций общей
теории систем (Ю. В. Вульф, В. Н. Беклемишев, Б. К. Вайнштейн,
Ф. М. Егер, Дж. Бернал) и «учения о правизне и левизне» (В. И. Вернадский,
В. В. Алпатов, Г. Ф. Гаузе, В. Людвиг).
В соответствие с принципом Кюри-Пригожина симметрия и
асимметрия выступают как проявления самоорганизации, причем
нелинейность термодинамически неравновесных систем проявляется в
особенностях временной и пространственной эволюции и связано с
понижением симметрии (диссимметризацией) [10].

Одной из ключевых категорий в системе симметрий-асимметрий
является хиральность (свойство молекулы или объекта быть несовместимым
со своим зеркальным отображением при любых комбинациях перемещений и
вращений в трёхмерном пространстве [2, 11]. Эта особенность живой
природы была названа диссимметрией жизни. Явление хиральности
отмечено и для различных абиогенных систем.

Имеется достаточное количество примеров несимметричного развития
хиральных систем, связанных с полимеризацией или структурообразованием
в синтетических полимерах. Так, полиизоцианаты, синтезируемые из
ахиральных мономеров, образуют хиральные спиральные полимеры в
равных количествах. Однако незначительное нарушение ахиральности при
введении в среду малого количества хирального аналога мономера приводит
к значительной хиральной поляризации (избытку одного из энантиомеров по
отношению к рацемату). Здесь мы имеем дело с известным в химии
эффектом «затравки», в данном случае хиральной.

Согласно Кюри, диссиметрия проявляется и на уровнях причин,
породивших их, и на уровне результатов. Так, эволюционный процесс
кристаллообразования, как правило, связан с понижением симметрии, что
является результатом отбора (направленного на формирование наиболее
стабильных структур) типов минеральных структур в неоднородном
пространстве Земли. Вернадский считал, что, в целом, диссимметризация
(пониженная симметрия) минеральных веществ, в процессе эволюции
минерального вещества на Земле, аналогична пути эволюционного
усложнения биосистем, связанного с дифференциацией и специализацией, но
«в симметрии живых организмов чрезвычайно резко выражены правизна и
левизна, которые для кристаллов являются частным случаем...».

Поиски механизма, ответственного за лево- и правостороннюю
асимметрию животных, давно является областью научных исследований.
Постоянная лево-правая асимметрия является определяющей чертой
эмбрионального развития. И в основе этой асимметрии — работа белков
форминов, участвующих в построении внутреннего скелета клетки [33].

У брюхоногих моллюсков Lymnaea stagnalis и Lymnaea peregra
отмечены левосторонние (рецессивные), так и правосторонние
(доминирующие) улитки внутри вида, при этом хиральность является
наследственным механизмом, определяемым единственным локусом по
материнской линии. Так, правое закручивание спиральной раковины является
у прудовиков доминантным признаком и кодируется определенными генами
Ldial и Ldia2 — белками, играющими ключевую роль в процессе роста
актиновых нитей клеточного скелета (активизация этого процесса отмечена
на стадиях клеточного деления). У разных видов животных начальный этап
определения хиральности возможен на этапе ранних дроблений, связанных с
динамикой цитоскелета. Различие между право- и левосторонним зародышем
наиболее заметно проявляется на этапе 4—8-клеточной стадии. А разные
механизмы генерации хиральности могут действовать для энантиоморфов
брюхоногих моллюсков внутри вида и для энантиоморфов между видами. У
позвоночных лево-правая асимметрия внутреннего и внешнего строения
происходит за счет наличия генов nodal — сигнальной молекулы. Сторона
эмбриона, экспрессирующая эти гены, связана с хиральностью тела: nodal и
pitx экспрессируются на правой стороне эмбриона правостороннего вида
Lottia gigcmtea и с левой стороны у левостороннего вида Biomphalaria
glabrata. Возможно, именно участие этих генов в формировании асимметрии
являлось наследственным признаком билатеральных организмов. Древность
базовых механизмов, определяющих формирование асимметричного
строения животных, может указывать на ключевую роль хиральности в
биологической эволюции.

Сформулирована синергетическая закономерность, имеющая общий
физико-химический и биологический смысл ]11[: эволюционирующая
система, обладающая запасом свободной энергии и элементами
хиральной асимметрии, находясь в пределах одного иерархического
уровня, способна в процессе самоорганизации изменять тип симметрии,
повышая свою «сложность», но сохраняя знак преобладающей
хиральности («правой» — D или «левой» — L закрученности). Та же
система имеет тенденцию к спонтанному формированию
последовательности иерархических уровней с чередующимся знаком
хиральности заново образующихся структур и с увеличением их
относительного масштаба. Способность атома углерода образовывать
хиральные соединения является существенным фактором, определившим
углеродную основу живых систем на Земле, а также их развитие через
череду хиральных бифуркаций. Разграниченная знаком хиральности
иерархичность макромолекулярных структур предопределила возмож-
ность «блочного» характера биологической эволюции.

Идеи нарушения симметрии через смену знака хиральности в
процессах фолдинга макромолекул или функционирования молекулярных
машин сопряженно с трансформацией типов энергии рассмотрены в
следующей главе пособия.
Литература

1.	А.А. Богданов. Тектология: (Всеобщая организационная наука). Издательст-
во: М.: Экономика, 1989. 351 с.

2.	Твердислов В.А., Сидорова А.Э., Яковенко Л.В. Биофизическая экология.
Монография. М.: УРСС КРАС АНДР, 2011. 544 с.

3.	Н. Винер, Дж. Бигелоу, А. Розенблют. Поведение, цель и телеология, 1943

4.	Хакен Г. Синергетика: Пер с англ. - М.: Мир, 1985. 239 с.

5.	Пригожин И., Стенгере И. Порядок из хаоса: Пер. с англ. 3-е издание. М.:
Эдиториал, 2001

6.	Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. От тепловых дви-
гателей до диссипативных структур: Пер. с англ. М.: Мир, 2002. 461 с.

7.	Блюменфельд Л.А. Решаемые и нерешаемые проблемы биологической фи-
зики. М.: Едиториал УРСС, 2002. 160 с.

8.	А.Э. Сидорова, В.А. Твердислов. Самоорганизация в иерархии активных
сред как движущая сила эволюции биосферы / ВМУ. Серия 3. Физика. Ас-
трономия. 2012, № 2. С. 65-69/

9.	Жаботинский А.М. Концентрационные автоколебания. М.: Наука, 1974.

178 с.

10.	Пригожин И., Кондепуди Д. Современная термодинамика. От тепловых дви-
гателей до диссипативных структур: Пер. с англ. - М.: Мир, 2002. 461 с.

11.	Твердислов В.А., Малышко Е.В. О закономерностях спонтанного формиро-
вания структурных иерархий в хиральных системах неживой и живой при-
роды. Успехи физических наук, 2019, т. 189, № 4, с. 375-385.
8. Хиральные иерархии и молекулярные
машины. Сопряженное нарушение симметрии
и преобразование формы энергии —
физическая основа совершения «полезной
работы» биологическими молекулярными
машинами

Физической основой функционирования живых систем являются
молекулярные машины. Выполнение «полезной работы» составляет
существо их биологических функций. Молекулярные машины являются
хиральными иерархически организованными устройствами (конструкциями).
Они циклически осуществляют преобразование формы энергии за счет
смены или переключений симметрий в её хиральных структурных элементах,
которые как раз и реализуют в них выделенные «квазимеханические»
степени свободы. Феномен хиральности позволяет формировать дискретные
хирально знакопеременные иерархии структур в макромолекулярных
машинах в процессе фолдинга, а также, в рамках развиваемых представлений,
обеспечивает однонаправленное движение машин по энергетическому циклу
за счет нелинейных вентильных свойств спиральных внутри- и
надмолекулярных структур.

Со времён утверждения классической физики в биологии
складывалось мнение о том, что в основе развития живых систем, включая
биологическую эволюцию в целом, лежит, в первую очередь, энергетический
фактор, поддерживающий процессы самоорганизации [1]. По-видимому, это
не вся истина. Сами процессы самоорганизации, включающие
упорядочивание в системе, с необходимостью включают обратные связи,
пространственно канализирующие процессы диссипации энергии. Потоки и
преобразования форм энергии неразрывно связаны с другим
фундаментальным физическим фактором, геометрически характеризуемым
особым качеством материи — симметрией.

В последнее время в научном сообществе всё более укрепляется
мнение, ранее утвердившееся в современной физике, о том, что понятие
симметрии является значимым не столько в её проявлениях в структурах
неживой и живой природы, сколько в фундаментальных представлениях о
формировании и эволюции неживой и живой материи. Как известно,
максимальной симметрией обладает изотропное бесконечное пространство,
не способное выполнять функции машины, поскольку, в принципе, не
обладает свойствами создавать «конструкции» [2]. Понижение энтропии в
развивающихся сложных системах в ходе эволюции сопровождается
понижением ранга симметрии специализированных, эволюционно
отбираемых и фиксируемых элементов. Фактор симметрий, в конечном счете,
определяет движение системы по «координате реакции», особенно на уровне
супрамолекулярных конструкций, выполняющих функции молекулярных
машин в живых системах.

Живое можно охарактеризовать как системную совокупность
физических принципов, реализуемых химическим инструментарием и
проявляющуюся в единстве биологических структур и функций, способных к
устойчивой эволюции земных форм жизни.

Наряду с преобразованием форм энергии, присущим синергетическим
процессам самоорганизации, существенную роль в живых системах
выполняют симметрийные факторы — явления нарушения симметрии при
эволюционном развитии систем. Живая природа базируется на двух
фундаментальных асимметриях: клеточной — ионной и молекулярной —
хиральной. Клеточным системам свойственна ионная асимметрия между
внутриклеточной и внеклеточной средой, обеспечивающая
термодинамическую неравновесность клеток, электрические явления и
возбудимость. Для молекулярного уровня живого свойственна базовая
гомохиральность и череда нарушений симметрии — смена знака
хиральности при формировании внутримолекулярных и надмолекулярных
клеточных структур.

Впервые в биомакромолекулярных системах в качестве цельных
блоков авторами [3, 4] были выделены знакопеременые иерархии хиральных
структур в последовательности от «нижнего» асимметричного углерода
мономеров до суперспиралей и надмолекулярных структур: D-L-D-L для
ДНК и L—D—L—D для белков. Молекулы дезоксирибозы, соединенные
фосфодиэфирными связями, образуют полимерный остов ДНК и являются D-
изомерами, тогда как включающие их нуклеотиды, формирующие боковые
группы полимерной цепи, находятся преимущественно в левой форме (гош-
конформации). Двойная спираль ДНК — правая. Последующая
сверхспирализация, свойственная полугибким полимерным цепям ДНК,
имеет топологическую природу и проявляется в обретении всегда «левой»
закрученности «правых» двойных спиралей кольцевых молекул, как,
например, у бактерий. Это известные данные, которые в совокупности, по
всей вероятности, не сопоставлялись: отмечается закономерное чередование
знака хиральности D-L-D-L при переходе на более высокий уровень
структурно-функциональной организации ДНК.

Подобное чередование наблюдается и для белковой структурной
иерархии: синтезируемые рибосомами полипептидные цепи белков
сформированы из L-аминокислот, тогда как важнейшая универсальная
вторичная структура — а-спираль — всегда правая. Что касается
энергетически предпочтительных, образованных ансамблями а-спиралей
сверхвторичных структур, хирально выраженными являются левые
суперспирали в фибриллярных белках. Подобные структуры обнаружены в
фибриллярных белках: а-кератине, тропомиозине, парамиозине и легкой
цепи меромиозина. Короткие участки такой сверхвторичной структуры
обнаружены в глобулярных белках, содержащих а-спирали, упакованные
примерно параллельно или антипараллельно. Заметим, что относительная
направленность а-спиралей безразлична, т.к. в обоих направлениях сама
спираль — правая. Известными примерами упаковки спиралей,
приближающейся к линейной, являются гемеритрин, белок оболочки вируса
табачной мозаики, бактериородопсин, оболочки некоторых бактериофагов,
тирозил-тРНК-синтетаза и т.д. В этом случае речь идет о топологическом
соответствии двух изменяющих знак хиральных структурных уровней, как и
в случае суперспирализации ДНК. Суперспирализация а-спирали выгодна и
энергетически, поскольку возникающая укладка боковых групп способствует
образованию дополнительных ван-дер-ваальсовых контактов между а-
спиралями. Если взаимодействующие боковые цепи гидрофобны, то
уменьшение свободной энергии такой структуры будет особенно
эффективным, поскольку, располагаясь вдоль оси суперспирали, боковые
цепи становятся экранированными от контактов с молекулами воды. И далее:
внутриклеточные надмолекулярные структуры типа микрофиламентов в
мышцах или в кортикальном слое, а также микротрубочек цитоскелета
являются правыми спиралями, свитыми из глобулярных белковых молекул.

ДНК

Рис. 8.1. Знакопеременные хиральные иерархии структурных уровней ДНК и бел-
ков, образующих хиральную пару, составляющую ахиральный блок —
инвариант молекулярно-биологического цикла.
Приведенные иерархии отражают дискретность в макромолекулярных
структурах клеток от первичной (точнее, от «первичной» асимметричной
структуры) до четвертичной. Строгое чередование знака хиральных уровней
является нелинейным инструментом, «защелкой», фиксирующей сквозные
взаимодействия в иерархии молекулярных структур в условиях
деструктивного теплового шума. По-видимому, в этом состоит находка
Живой природы в борьбе с энтропией. Хиральная сцепленность структурных
уровней между собой обеспечивает кооперативность конструкции,
возможность формирования выделенных степеней свободы в клеточных
молекулярных машинах, преобразующих энергию, вещество, информацию.

Самоорганизация на более высоких морфологических уровнях,
например, клеточных, связана с автоволновыми процессами в активных
средах, причем динамическое сопряжение молекулярных и
макроскопических хиральных структур достигается канализированием
автоволновых процессов в мембранных оболочках, являющихся, в свою
очередь, иерархическими хиральными структурами (L-фосфолипиды, белки
каналов, насосов, рецепторов). Подобным образом клетке удается
осуществить сопряжение систем и процессов, существенно отличающихся
по характерным размерам и временам.

О природе и сущности макроскопических и молекулярных машин

В неживой природе машин не существует, имеются лишь естественные
преобразователи энергии и вещества, которые не могут совершать «полезной
работы». Полезная работа — как раз и есть биологическая функция машин-
ферментов, насосов, сократительных систем, рецепторов и пр. Следует
отметить, что одними из первых разработок проблемы молекулярных
биологических машин были работы наших соотечественников Ю.И. Хуртина,
С.Э. .Шноля, Л.А. Блюменфельда, Д.С. Чернавского и других [5-9]. Для
современного состояния общих представлений о биологических
молекулярных машинах характерно разрозненное описание их структурных,
термодинамических и кинетических характеристик [5—7]. Вместе с тем,
рассмотрение симметрийных особенностей системы позволяет связать
воедино означенные аспекты.

Самые общие представления о молекулярных биологических машинах
можно сформулировать следующим образом. Во-первых, это принципиально
не тепловые, а изотермические электромеханохимические машины,
характеризующиеся на уровне своих моторов КПД до 80% и выше, что по
понятным причинам недостижимо для биополимерных устройств, будь они
тепловыми машинами (разность температур между холодильником и
нагревателем должна бы была составить многие сотни градусов). Во-вторых,
имея молекулярные размеры, биологические машины находятся в условиях
теплового шума, что принципиально затрудняет прецезирование
(отслеживание) позиционного состояния деталей их конструкций в ходе
движения по координате механохимической реакции в ходе машинного цикла
[7]. По этой причине молекулярные машины работают, в отличие от
макроскопических машин, в релаксационном режиме, фиксируя начальную
фазу цикла по «правильному» присоединению к ним всех участников
процесса и конечное состояние системы по завершении цикла. Траектория
перехода между крайними состояниями определяется конструкцией
устройства. Перманентное прецезирование системы в условиях тепловых
флуктуаций в молекулярном устройстве потребовало бы подключения
внешнего резервуара свободной энергии, существенно превышающего
масштабы собственных преобразований энергии молекулярной машиной.
Макроскопические же машины контролируют прохождение машиной
рабочего цикла или непрерывно, или по многим позициям, что возможно в
макромашинах, поскольку процессы контроля и управления в них по
энергетической стоимости существенно ниже, чем реализуемые ими
преобразования энергии, вещества и информации.

Молекулярные моторы — энергетические преобразователи, двигатели
машин — являются ключевым элементом конструкции молекулярных машин.
В молекулярных машинах, в отличие от макроскопических, «рабочее тело»,
передающее и преобразующее формы энергии в соответствии с конструкцией
устройства, идентично их конструктивным элементам [9]. Более того, в них
не локализованы, а структурно сопряжены управляющий (регулирующий) и
исполнительный уровни функционирования. По-видимому, из-за того, что в
молекулярных машинах на микроуровне в условиях теплового шума, как мы
говорили, энергетически не реализуем режим прецезирования, то система
запуска цикла функционирует в «ждущем режиме», а сам цикл
осуществляется как релаксационный процесс. Запуск, например,
ферментативного цикла, осуществляется при присоединении полного числа
участников процесса — субстрата и эффекторов. Так, для запуска
транспортного цикла мембранного Na-насоса (Ка,К-АТФазы) к ферменту
должны «правильно» и в нужном порядке присоединиться MgATO, 3 иона Na,
2 иона К, только после чего насос-машина проведет весь белковый комплекс
по «координате реакции» — сложной релаксационной последовательности
структурных (конформационных) перестроек и переходов.

Цикличность как принципиальная характеристика машины с
необходимостью предполагает обязательное наличие симметрий в
конструкции, а для движения по циклу в «правильном» направлении —
несимметричного элемента, обладающего свойством «вентиля», то есть
конструкции типа «храповик-собачка» [10]. Спиральные конструкции, по
нашим представлениям, способны быть нелинейными вентильными
устройствами по вращательным степеням свободы. Простейшее
механическое соображение: плотно завитая пружинка легко раскручивается в
одну сторону, но резко тормозит закручивание в другую. В макромолекулах
они должны представлять собой макроскопические конструкции, поскольку
должны характеризоваться долгоживущими состояниями по сравнению с
тепловыми.

Молекулярная машины являются иерархическими динамическими
устройствами, циклически сопрягающими преобразование формы энергии,
необходимое для совершения полезной работы, и череду преобразований
симметрии в конструктивных элементах («рабочем теле»), составляющих
«выделенные (квази)механическими степенями свободы» при самосборке и
переключающих их при функционировании. Ранее нами была сформулиро-
вана и обоснована концепция, согласно которой, физической основой моле-
кулярной биологии и молекулярных машин является периодическая система
связанных симметрическими соотношениями знакопеременных хиральных
структур во внутри- и надмолекулярных иерархиях структур важнейших
классов биомакромолекул. Выше мы уже говорили о выявленной общей за-
кономерности: начиная с уровня асимметричного углерода в дезоксирибозе и
аминокислотах, прослежена тенденция чередования знака хиральности внут-
римолекулярных структурных уровней D—L—D—L для ДНК и L—D—L—D для
белков [3, 4]. Проявлениями хиральности выступают также спиральность и
суперспиральность структур. Составленное этими иерархиями ядро молеку-
лярной биологии интегрально составляет уже ахиральный инвариант, а сами
эти структуры непосредственно реализуют выделенные механические степе-
ни свободы молекулярных машин.

Левинталь перешел от двумерной потенциальной ямы, принятой как
образ в представлениях квантовой механики, к трехмерной модели. Но, по
существу, потенциальная ловушка Левинталя — многомерное понятие, т.к.
многие физические факторы определяют её характеристики. Один из них —
хиральность, дополненная электрическими несимметриями. В физической
трактовке ловушки Левинталя имеется заведомая двоякость: есть
стохастическая компонента движения по воронке за счет флуктуаций и
блужданий, а есть детерминированная, которую задаёт симметрийность.
Случайные блуждания характерны для неупорядоченных элементов
пептидной цепи, а макроскопические структурированные элементы в своих
движениях детерминированы, поскольку, в наших представлениях, есть
конструктивно заданное релаксационное движение при фолдинге и при
работе машины. В одном случае — к нативной квазистационарной структуре
при самоукладке — фолдинге, а во втором случае — от «возбужденного»
состояния из неравновесных конформаций — к тому же уровню, но уже с
другой стороны, по координате химической реакции. Это уже не химия, а
механохимия.

Ранее мы высказывали соображение о том, что формирование а-
спиралей и суперспиралей, образованных их взаимным скручиванием, с
физической точки зрения можно рассматривать как процесс автоволновой
самоорганизации в активных средах [11, 12]. Распределенный ресурс энергии
по энтропийной компоненте создаётся исходной гомохиральностью
первичной аминокислотной структуры — пептидной цепи, созданной с
затратой энергии (АТФ) т-РНК при отборе левых аминокислот из
присутствующей в клеточной среде смеси левых и правых аминокислот.
Понижая свободную энергию системы и повышая энтропию, левая
аминокислотная цепочка скручивается в правую а-спираль. Водородные же
связи стабилизируют правую спиральную структуру (энтальпийный
компонент). Далее процесс скручивания продолжается, уже на уровне
суперспиралей, уже с правым знаком, что ещё более понижает уровень
энергии и повышает энтропию. В этом примере наглядно видно, как явления
смены/нарушения типа симметрии напрямую связаны с преобразованием
энергии. Важно отметить, что формирование регулярных структур в
белковых цепях существенным образом связано с их движением в вязкой
среде в процессе фолдинга при выходе из рибосомного туннеля [17]. В
принципе, подобный подход может быть использован и для описания
функционирования нуклеиновых кислот, иерархически также хирально
знакопеременных 11], но в данной работе мы не предполагаем обсуждать
данный аспект их фолдинга и функционирования.

Сейчас речь шла о фолдинге. Но ещё более впечатляющим
представляется соображение о важности симметрийного фактора уже в
работе белковых молекул в качестве молекулярных машин. Чуть более
100 лет назад в 1918 г. Эмми Нётер доказала систему теорем о том, что
законам сохранения соответствуют различного рода симметрии (см. [13]). На
сегодняшний день это стало целым направлением теоретической физики.
Вместе с тем, нам не известны случаи применения этих соображений к
работе машин вообще, начиная с тепловых, и вплоть до молекулярных.
Другое дело, что, к примеру, наш великий соотечественник физик Н.А. Умов,
обсуждая работу паровоза, отмечал, что машина «умеет» понижать энтропию
в системе за счет сторонних сил (энергии). Молекулы пара движутся
хаотично, а конструкция цилиндров и поршней переводит движение в
направленное. Теперь в теории машин можно перейти к формулировкам
Нётер — машины понижают ранг симметрии. Хаотическое движение
молекул пара — высшая симметрия, а движение паровоза есть вектор. В
целом же о машинах, в частности о молекулярных машинах, которые для
производства любой полезной работы обязательно преобразуют форму
энергии, можно сказать, что они с необходимостью делают это сопряженно с
последовательным нарушением типа симметрии. Применительно к
молекулярным машинам мы можем привязать последовательное
преобразование форм энергии к цепочке нарушений симметрии посредством
смены типа симметрии и знака хиральности при движении по машинному
циклу. Сразу подчеркнём, что любая машина — хиральный объект, поскольку
цикл должен быть однонаправленным.

Феномен хиральности позволяет формировать дискретные хирально
знакопеременные иерархии структур в макромолекулярных машинах в
процессе фолдинга, а также, в рамках развиваемых представлений,
обеспечивает однонаправленное движение машин по энергетическому циклу
за счет нелинейных вентильных свойств спиральных внутри- и
надмолекулярных структур. Нелинейность вентиля-ос-спирали не только в
том, что несимметричны правые и левые вращения относительно хиральной
спирали, но разнятся и физические причины нарушения симметрии:
переключается механизм: водородные связи держат в одном направлении, а
«механика» — в обратном. На данный момент актуален теоретический
анализ вентильных свойств спиральных и суперспиральных структур
белковых макромолекул. А сами белки-машины в силу их структурной
неоднородности и иерархичности как механические системы следует отнести
к неголономным системам, в которых, кроме геометрических, накладываются
и кинематические связи, которые нельзя свести к геометрическим. Как
известно, математическое описание динамики подобных систем вызывает
значительные сложности, даже в относительно простых случаях.

Наподобие того как скелет млекопитающих имеет подвижные
нежесткие связи между костями, что в целом обеспечивает сложно
организованное движение организма в пространстве, так и жесткими
деталями конструкций молекулярных машин (ос-спиралями, суперспиралями
и P-структурами), соединёнными нерегулярными фрагментами пептидной
цепи, обеспечивается скоординированная в пространстве и времени работа
молекулярных машин. В этой связи представляются реальными
представления о коллективном поведении квазикристаллической белковой
глобулы или фибриллы в ходе фолдинга или машинного цикла
(«апериодический кристалл» в представлениях Э. Шрёдингера [14]).
Аминокислотная гомохиральность первичной структуры создаёт
распределённую в пространстве термодинамическую неравновесность за
счет нарушения симметрии (энтропийный компонент запаса свободной
энергии), а связывание лиганда, субстрата или лекарства с макромолекулой
создаёт «энтальпийное возмущение» в ней и запускает релаксационный
механизм машинного цикла.

Рецепторы-мишени лекарственных препаратов также можно отнести к
классу макромолекул-машин. Среди используемых в настоящее время
лекарственных средств больше половины составляют хиральные препараты,
а, в свою очередь, большая часть этих хиральных лекарств представляет
собой рацемат. Более половины разрабатываемых за последние годы лекарств
также состоят из хиральных молекул. Хиральные препараты используют в
лечении широкого спектра заболеваний, в том числе сердечно-сосудистых и
желудочно-кишечных. Получение оптически чистых форм вещества является
сложной и дорогостоящей задачей, однако их использование во многих
случаях могло бы уменьшить дозировку и количество побочных действий
препарата. Стереоспецифичность взаимодействия лекарства и молекулы-
мишени важно учитывать при создании лекарственных препаратов, так как
одна хиральная форма лекарственного препарата может обладать
терапевтическим эффектом, а другая не усваиваться, быть менее активной
или даже вызывать серьезные осложнения, являться токсичной.

Заключпение

До сих пор остаётся без внятного общепринятого ответа давний вопрос,
зачем природа сделала белки-ферменты и другие белки большими, тогда как
биохимиками и молекулярными биологами принято считать достаточными
комплементарные взаимодействия в активных центрах. Однако,
принципиальный ответ на этот вопрос имеется, причем ответ
вразумительный и четкий. Универсальный принцип молекулярной биологии
— комплементарность взаимодействий, обеспечивающая специфичность
функционирования биомакромолекул, реально обеспечивает стадию распоз-
навания («ключ—замок»), а функциональные стадии, к примеру,
ферментативного цикла реализуются всей белковой макромолекулой —
квазимеханическими внутри- и межмолекулярными конструкциями
молекулярных машин, о которых шла речь в настоящей работе. В качестве
одного из обоснований существования внутримолекулярных дальних
взаимодействий в белковой глобуле имеет смысл вспомнить об
аллостерической регуляции в ферментах и о важности её взаимодействия с
водным и ионным окружением.

С учетом высказанных выше соображений приведём следующее
определение молекулярной машины. Молекулярная машина есть
иерархическое устройство, циклически сопрягающее преобразование
формы энергии, необходимое для совершения полезной работы, и череду
преобразований или переключений симметрии в её регулярных
структурных хиральных элементах, реализующих выделенные
«квазимеханические» степени свободы и контролирующих движение
системы по заданному направлению цикла.

Литература

1.	Пригожин И., Кондепуци Д. Современная термодинамика. От тепловых
двигателей до диссипативных структур. - М., УРСС, 2002.

2.	Блюменфельд Л.А. Проблемы биологической физики. Изд. 2-е. //М.: Гл. ред. физ.-
мат. лит. изд-ва «Наука», 1977, 336 с.

3.	Твердислов В.А., Малышко Е.В. О закономерностях спонтанного формиро-
вания структурных иерархий в хиральных системах неживой и живой при-
роды // Успехи физических наук. 2019. Т. 189, № 4. С. 375-385.

4.	Малышко Е.В., Муртазина А.Р., Твердислов В.А. Хиральность как физиче-
ская основа иерархической периодизации структур биомакромолекул // Био-
физика. 2020. Т. 65, № 2. С. 213-218.

5.	Шноль С.Э., Чернавский, Д.С., Хуртин Ю.И. Молекула белка-фермента как
механическая система // В сб. Колебательные процессы в биол. и хим. сис-
темах. -М.:Наука, 1967. с. 42-50.

6.	Чернавский Д.С., Чернавская Н.М. Белок — машина. Биологические макро-
молекулярные конструкции. - М.: Янус-К, 1999. 256 с.: ил.

7.	Л.А. Блюменфельд Молекулярные машины живой клетки // Природа 1981
№ 6 с 66-73

8.	К. Eric Drexler Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology // An-
chor Books, New York, 1986.

9.	Anatoly B. Kolomeisky Motor Proteins and Molecular, Motors CRC Press Taylor
& Francis Group 2015 by Taylor & Francis Group, LLC CRC Press is an imprint
of Taylor & Francis Group, an Informa business , 195 pp.

10.	P. Фейнман, P. Лейтон, M. Сэндс Фейнмановские лекции по физике Т. 4
Либроком 2017, 264 с.

11.	Твердислов В.А., Малышко Е.В., Ильченко С.А. От автоволновых механиз-
мов самоорганизации к молекулярным машинам // Известия Российской
академии наук. Серия физическая. 2015. Т. 79, № 3. С. 1728-1732.

12.	А.Э Сидорова, Н.Т. Левашова, Е.В. Малышко, В.А. Твердислов Автоволно-
вая самоорганизация в фолдинге белков // ВМУ. 2019 №3 С. 3-14.

13.	Левин А. Великой теореме Эмми Нётер — 100 лет. «Элементы»

https://elementy.ru/novosti_nauki/433257/Velikoy_teoreme_Emmi_Nyoter_100_l
et

14.	Шрёдингер Э. Schrodinger. Что такое жизнь? — Cambridge: University Press,
1944. Русский перевод: Э. Шрёдингер. Что такое жизнь? Физический аспект
живой клетки. 3-е изд. Ижевск: РХД, 2002, 176 с.
9. Роль воды в живых организмах

«Вода стоит особняком в истории
нашей планеты. Нет природного тела,
которое могло бы с ней сравниться по

влиянию на ход основных, самых
грандиозных геологических процессов».

Академик В. И. Вернадский

Количество сайтов в GOOGLE

DNA structure

PROTEIN structure

WATER structure

645 млн

592 млн

1720 млн

ЗЕМЛЯ — ВОДНАЯ ПЛАНЕТА

Площадь поверхности Земли — 510 млн. кв. км.

Покрыто водой Океана — 361 млн. кв. км. (около 70%)

Площадь поверхности суши — 149 млн. кв. км.

С учетом ледников — 16 млн. кв. км. (около 75% поверхности планеты
покрыто водой)

Население планеты на 15.11.2022 г.-8 млрд.,
т.е. менее 0,019 кв. км. на человека, квадрат со стороной 136м

Количество воды в Океане — 1370 млн. куб. км.

Суши над уровнем Океана — 111 млн. куб. км.

Жизнь зародилась в Океане с образованием протоклеток — выделенного
объема, ограниченного мембраной от внешней среды.

Жизнь невозможна без воды.

Семена, споры — анабиотические формы, начинающие развитие при
наличии достаточного количества воды.

Тело человека содержит 70-80% воды.

Медузы на 98-99,5% состоят из воды.

Детальные исследования (Clegg J.S.) яиц галофильных ракообразных,
выдерживающих сильное высушивание, показали, что для осуществления
биохимических реакций необходимо не менее
1 г воды на 1 г белка.
Марсоходы ищут воду.

Данные, полученные из проб грунта, показали, что под поверхностью
планеты образуются капли и плёнки из солёной воды.

Так как находка была сделана в районе кратера Гейла, одного из
наиболее засушливых регионов Марса, есть надежда, что в других местах
вероятность существования жидкой воды более высока. Марсианская вода
значительно обогащена дейтерием по сравнению с водой на Земле. Сейчас
отношение D/Н шестикратно превышает его стандартное значение на Земле
для океанической воды SMOW. Возможное объяснение — обогащение воды
тяжелым изотопом водорода вследствие испарения воды с поверхности
Марса.

Происхождение воды на Земле

Гипотезы:

Космическое пространство содержит водород, который, соединяясь с
присутствующим также кислородом, дает воду. Эта вода уже входит в
состав холодного газопылевого облака и выпадает на остывшую Зем-
лю в виде осадков.

Бомбардировка Земли кометами и астероидами (4,1-3,2 млрд, лет
назад), содержащими воду. Кометы содержат большое количество во-
ды в виде льда, углистые хондриты более 20 % воды.

Дегазация собственных пород Земли после ее остывания. Выброс рас-
каленной магмы с выходом газов, водяных паров и воды. Этот процесс
продолжается в настоящее время — выделяется из недр планеты 0,25—
1 куб. км. «ювенильной» воды.

По оценкам (2005 г.) общая масса воды в протопланетном диске
вокруг звезды TW в созвездии Гидры (возраст звезды не превышает 5-
10 миллионов лет и находится на расстоянии в 170 световых лет) составляет
примерно 9 зеттатонн (9-1021), что равняется 1,5 массам Земли и в
несколько тысяч раз превышает совокупный вес всех океанов нашей
планеты.

Современные оценки показывают, что в земной коре содержится
столько же воды, сколько в Океане, но в мантии Земли ее в 10-15 раз больше.
По акад. А.П. Виноградову — около 20 млрд, куб.км.

Круговорот воды в природе.

Океан дает атмосфере 355 тыс. куб. км. воды в год. Атмосфера
содержит одновременно около 13 тыс. куб. км. воды. Следует учесть еще
транспирацию растений.
Распределение воды на Земле.

Океан — 97%

Остальная — 3% Ледники и внутренние моря — 77%

Грунтовые воды — 22%

Остальная — 1% —> Озера — 61%

Атмосферная и почвенная влага ~ 39%

Реки — < 0,4%

Глобальная роль воды на Земле определяется ее физическими ха-
рактеристиками.

Теплоемкость воды — 4,2 КДж/кг*К (1 Ккал/кг-К)

Теплоемкость песка — 0,82 КДж/кг*К,

глины — 0,98 КДж/кг*К

гранита — 0,84 КДж/кг*К,

Теплота испарения при 20 С — 2453 КДж/кг.

Лед имеет меньшую плотность, поэтому плавает на поверхности воды.

Только вода встречается нам на Земле в трех агрегатных состояниях:
пара-жидкости-твердого тела

Строение молекулы НгО

Вода — самая маленькая трехатомная молекула.
Заряды на атомах: Н —> +0,33; О —► -0,66

Угол Н-О-Н равен 104,5°

Длина связи ОН равна 0,096 нм

Дипольный момент воды

молекула поды

—*—>
направление
дипольного
момента, р = 1,84 Д

Кроме дипольного момента у воды есть также квадрупольный момент,
что говорит о наличии четырех зарядов, не лежащих в одной плоскости.

Водородная связь Н — О • • • Н

Тетраэдрическая симметрия электронной структуры молекулы
предопределяет пространственную сеть. Молекулы воды могут обладать
разным количеством водородных связей.
Существует неопределенность в расположении протонов в тетрамере
молекул воды.

Оценим величину неопределенности положения протонов в сети
связанных молекул воды.

В 1 моле льда имеются N молекул, т.е. 2N атомов Н. Эта оценка была
проведена Л. Полингом.

Поскольку каждый Н может находиться в двух положениях, имеется
всего 22N возможных расположений. Для молекулы воды с четырьмя
соседями из 24 типов расположения четырех протонов реализуются только
шесть. Другие приведут к появлению ионов.

Общее число конфигураций кристалла W=22N (6/16)N =(3/2)N

Соответствующая энтропия S = k lgW= 0,805 э.е.

Эксперимент дает 0,82 ± 0,15 э.е.

Диэлектрическая проницаемость вещества (показывает, во сколько
раз ослабляется напряженность электрического поля в веществе).
Вода — полярный растворитель.

Название	Формула	Диэлектрическая проницаемость	Дипольный момент, Д
Межмолекулярные водородные связи			
Цианистый	HCN	95	2,93
водород			
Формамид	HCONH2	84	3,22
ВОДА	Н2О	80	1,84
Метанол	СНзОН	33	1,69
Аммиак	NH3	15,5	1,52
	Водородная связь отсутствует		
Гептан	СНз(СН2)5СНз	1,9	0

Вода обладает громадным полиморфизмом. (Лед XVIII в. обнаружен
в 2019 г.)
Модуль кристаллической решетки льда Ih
состоит из «кресел» и «ванн» (модуль решетки
алмаза только из «кресел»).

Строение некоторых льдов полиморфов.

Слева направо, верхний ряд — лед III, IV, V, нижний ряд — VI, VII, XII

Параметрические тетраэдрические модульные
Возможны запрещенные в кристаллографии
распространенные в природе.

Твист-ванна

структуры.
симметрии,

Модульные структуры НО, L0. ТО
Спираль 30/11

Спирали (поперечное сечение)

Фрактал кластера L0

Сверхрешетка

Аномалии жидкой воды.

Плотность — наличие максимума в жидкой воде

Скачок плотности (удельного объема) при замерзании.

Объем увеличивается (плотность уменьшается) на 10%.

При застывании большинства расплавленных металлов плотность

увеличивается на 2-4%

Качественно аналогично воде ведут себя чугун при застывании и висмут —
уменьшение плотности при застывании лишь на 3,3%
Теплоемкость

колебательный (I) и конфигу-
рационный (II) вклады.

Сплошная кривая (III) —
экспериментальная зависимость.

Температура плавления различных веществ, в том числе
изоэлектронных гомологов и веществ, не образующих водородные связи.
«Правильная» вода плавилась бы при температуре -100 °C

Температура кипения различных веществ, в том числе изоэлектронных
гомологов и веществ, не образующих водородные связи.

«Правильная» вода кипела бы при температуре 76 °C.

Область существования жидкого состояния воды 0—100 °C
многократно превышает ожидаемую область — 100°-76 °C (лишь 24 °C).

Критическая точка — еще больше различие величин реальной и
ожидаемой температуры (более 300 °C).

Теплота испарения при температуре кипения (теплота
парообразования) 2257 Дж г1
Н2Х	Угол НХН, (град)	Длина связи НХ, (нм)
Н2О	104,5	0,096
H2S	92,1	0,134
H2Se	91	0,146
Н2Те	89,5	НХН 0,169

По изменению угла НХН видно резкое изменение электронной
структуры при переходе от второго к третьему периоду изоэлектронных
атомов кислорода и серы. Резко уменьшается угол и увеличивается длина
связи НХ, что говорит об уменьшении энергии связи.

Таким образом, основной причиной аномалий жидкой воды является
электронная структура молекулы, дающая возможность образования четырех
водородных связей (2 донора и два акцептора) и развитой пространственной
сетки водородных связей.

Электролитическая диссоциация (С. Аррениус, В. Оствальд).

Это процесс распада молекул на ионы при растворении вещества
вследствие взаимодействия растворяемого вещества с растворителем.
Наличие ионов в растворе обеспечивает электропроводность растворов.
Значительную роль в электролитической диссоциации играет
макроскопическое свойство растворителя — его диэлектрическая
проницаемость.

Динамический процесс между молекулами и диссоциированными
ионами описывается законом действующих масс и для бинарного
электролита ВА выражается уравнением

ВА ~ В+ + А"
Константа диссоциации (равновесия) в разбавленных растворах
определяется концентрациями участников реакции, а ее величина зависит от
V [В]* [Л]
природы растворяемого вещества и температуры К=

Слабые электролиты — химические соединения, молекулы которых
незначительно диссоциированы на ионы: почти все органические кислоты и
вода; некоторые неорганические кислоты (HNO2, HCN, H2S, Н2СО3, H2SO3 и
др.); некоторые малорастворимые гидроокиси металлов: Бе(ОН)з, Zn(OH)2, и
ДР-

Сильные электролиты — химические соединения, молекулы которых
в разбавленных растворах практически полностью диссоциированы на ионы:
большинство солей (NaCl, КС1 и др.); некоторые кислоты (H2SO4, НС1 и др.),
щелочи (NaOH, КОН и др.).

Неэлектролиты — химические соединения, молекулы которых при
растворении не распадаются на ионы: сахара, глицерин, спирты, многие
другие орг. соединения, окислы, газы О2, N2, Н2.

Жидкая вода — слабый электролит.

Вода как кислота НгО <-> Н+ + ОН”

Вода как основание Н2О + Н+ <-> НзО+

Концентрация воды в воде, учитывая ее малую степень диссоциации,
составляет (1000 г/л)/(18 г/моль) = 55, 56 моль/л.

Константа диссоциации (автопротолиза) воды

К = [Н ][°Н 1 и при 20—25°С равна 1,8*10-16 моль/л.
[Н2О]

Ионное произведение воды Кв = К [НгО] = [Н+][ОН ]

Кв = 1,8*10'16 моль/л *55,56 моль/л = 10 -14 моль2/л2

Поскольку в чистой воде [Н+] = [ОН-], а Кв = [Н+][ОН-], то

[Н+] = [ОН-] = 10-7 моль/л

Вводится величина pH: — 1g [Н+] = pH 7

При добавлении кислоты происходит процесс её электролитической
диссоциации

(например, НС1«—> IГ + С1-)

При этом в растворе увеличивается количество протонов и pH < 7

Можно записать, что pH + рОН = 14

Тогда, при добавлении щелочи в растворе увеличивается количество
гидроксилов и pH >7 (NaOH <-> Na+ + ОН-)
Примеры значений pH в разных средах

Желудочный сок	1-2	Вода	7
Уксус пищевой	2,5	Кровь	7,36-7,44!!!
Кока-кола	3	Мыло	9-10
Слюна	6,8-7,4	Отбеливатель(Хлорная известь)	12,5

Концентрация веществ в водных растворах.

Можно ее выражать в г/л, в весовых % или объемных %

В биофизике, в основном, используется концентрация веществ в
единицах моль/литр. Молярная концентрация — количество вещества
(число молей) компонента в единице объёма смеси.

Это позволяет легко сравнивать относительное количество различных
частиц в сложных растворах и системах.

Примеры'.

1.	Найдите молярность раствора соли КС1 при растворении 149 мг
соли в 1 литре воды.

Количество КС1 в одном моле (из таблицы Менделеева) равно
39 + 35,5 = 74,5 г.

Если растворить 149 г в 1л, получим раствор с концентрацией 2М.

Раствор, содержащий 149 мг/л, имеет концентрацию 2мМ.

2.	Сколько молей эритроцитов содержится в крови человека, если
среднее содержание клеток составляет 4,5*1012 штук/л?

Количество эритроцитов в молях равно 4,5*1012/ 6,02*1023 = 0,66*10-11
= 6,6 пМ.

3.	Сколько молей ионов находится в 1М растворе СаСЪ?

1М ионов Са++ и 2М ионов С1“

4.	В 10 л водного раствора соляной кислоты находится 365 мг НС1.

Определите величину pH раствора.

Молярная масса НС1 равна 1+35,5 = 36,5 г/моль.

Количество кислоты равно 0,365/36,5 = 0,01 моль. Концентрация в 10 л
равна 10“3 моль/л.

В 10 л pl I - lg [IO 3J 3
Задание 1.

Найдите молярную концентрацию гемоглобина в эритроците человека
(98% от содержания в эритроците всех белков).

Молярная масса гемоглобина М = 64388. В норме удельная
концентрация его в клетке равна 350 г/л. Сколько молекул воды приходится
на одну молекулу гемоглобина?

Задание 2.

Найдите относительную массу ионов хлора, содержащихся в 1л
раствора соляной кислоты НС1 с рН2.

Задание 3.

В 1л раствора находится 49 мг серной кислоты H2SO4. Найдите
величину pH раствора.

Гидрофильные и гидрофобные молекулы.

Гидрофильные — хорошо взаимодействующие с водой (хорошо
растворяющиеся).

Это: электролиты, неэлектролиты, обладающие полярными группами
(сахара, спирты и др.). Полярные группы ОН, SH, NH2 образуют водородные
связи с водой.

Неполярные группы СНз слабо взаимодействуют с водой (только
дисперсионные взаимодействия) и называются гидрофобными.

Переход от гидрофильности к гидрофобности на примере спиртов
СхН2х+1ОН.

Х=1 — метанол, Х=2 — этанол, X—3 — пропанол — смешиваются с
водой неограниченно.

Х4—Х9 — растворимость значительно убывает.

Трехатомный спирт — глицерин растворяется неограниченно

ОН
I
но-сн-сн-сн2-он

Переход от гидрофильности к гидрофобности на примере аминокислот.
Выделен переменный радикал аминокислоты.
250

соон
I
h2n—с—н

Т.	Н

1 лицин

Растворимость (г/л)
166	38
соон
СООН	H2N—с—н  ।	2	j
H2N—с—н	н3с—СН
Аланин СН3	валин	СН3

22

соон

I
H2N-C—н

сн2

Лейцин

СН

СН3 СН3

Количественная оценка гидрофобности.

Определяется свободной энергией переноса вещества AG из среды с
низкой диэлектрической проницаемостью (~5 в среде липидов, внутри
белковых глобул), в среду с высокой диэлектрической проницаемостью (80 -
воду).

Если AG < 0, то вещество гидрофильно.

Если AG> 0, то вещество гидрофобно.

Отрицательный вклад дают заряженные и полярные группы.

Положительный вклад, в основном, дает энергия, необходимая для
образования полости в воде.

Задание 4.

В какой среде растворится большее количество NaCl, в воде или в
подсолнечном масле?

Диссоциация аминокислот.

Аминокислоты представляют собой амфотерные электролиты
(сочетание свойств кислоты и основания).

Их кислотные свойства обусловлены наличием СООН-группы,
основные -ИНг-группы.

В водных растворах с рН7 аминокислоты существуют в виде
биполярных ионов, называемых цвиттер-ионами.

В зависимости от pH среды меняется зарядовое соотношение молекул.

В сильнокислой среде (рН«7) группа СОО- цвиттер-иона
присоединяет протон и теряет отрицательный заряд. В то же время высокая
концентрация протонов способствует поддержанию аминогруппы в
состоянии NHs+, что и обеспечивает положительный заряд аминокислоты в
целом.

При сильнощелочных значениях pH (рН»7) избыток ОН-групп в
среде приводит к отрыву протона от группы МНз+ цвиттер-иона с потерей
этой группой положительного заряда. В результате вся молекула

аминокислоты приобретает отрицательный заряд.

н	н	Н
3HN - с - СООН	3HN-C — СОО"	H2N- С-СОО"
н	н	н
рН2	рН7	рНП

Константы диссоциации.

Константа диссоциации карбоксильных групп аминокислот
обозначается как рК1. Это такое значение pH среды, при котором половина
карбоксильных групп молекул аминокислоты находится в состоянии -СООН,
а другая половина — в состоянии -СОО- (отношение количества
диссоциированной формы к не диссоциированной равно 1).

Константа диссоциации аминогрупп аминокислот обозначается как
рК2.

Это такое значение pH среды, при котором половина аминогрупп
молекул аминокислоты находятся в состоянии —NH2, а другая половина — в
состоянии —NHs+.

Величины рК1 и рК2 несколько отличаются для каждой
аминокислоты, так как на диссоциацию влияет поле бокового радикала.
Точные значения рК1и рК2для разных аминокислот приводятся в
специальных таблицах. Если аминокислота обладает диссоциирующим
боковым радикалом, его константа диссоциации обозначается как рКз.

Изоэлектрическая точка (pl) — это значение pH среды, при котором вся
аминокислота электронейтральна и её суммарный заряд равен нулю.

При рН>р1 молекула несёт отрицательный заряд, при рН<р1-
положительный.

Для аминокислоты с недиссоциирующим боковым радикалом
изоэлектрическая точка рассчитывается по формуле р1= (рК1+ рК2).

Стереоизомерия аминокислот

В центре аминокислоты находится атом углерода Са атом. Он является
центром тетраэдра. Если у него 4 различных заместителя, такая молекула
хиральна.

Хиральность (греч. Xsip — РУка) — свойство молекулы не
совмещаться в пространстве со своим зеркальным отражением.
Молекула глицина не хиральна (2 заместителя одинаковы — Н), но
замещение одного протона группой СНз в молекуле аланина придает ей
свойство хиральности. При всех возможных поворотах L-аланин не может
превратиться в D-аланин.

н

I

Н —С—СОО ”

I

NH3

соон

I
nh2-ch
' I

СН3
L-аланин

СООН

СН-ХНэ

D-аланин

Могут ли молекулы воды образовать хиральные структуры?

Структура льда I не хиральна. Положительный ответ дают
параметрические некристаллографические структуры.

Минимальным повторяющимся элементом для всех параметрических
структур является твист—ванна. К выступам (+) твист-ванны можно
присоединить два атома и продолжая эту операцию можно получить L0
модуль, состоящий из 20 тетраэдрических атомов. Присоединяя еще 7 атомов
получим ТО кластер, содержит 27 атомов, состоит из 30 твист-ванн. Все
получающиеся структуры состоят только из хиральных гексациклов «твист-

ванна».

Анализ угловых параметров структуры связанной воды у поверхности некоторых
глобулярных белков подтверждает наличие в ней твист-ванн.

Все полярные соединения и, тем более, заряженные ионы
гидратируются, т.е. взаимодействуют с водой, изменяя ее структуру ближнего
порядка. Катионы сильнее разрушают структуру воды, чем анионы. Время
жизни молекул воды, связанных с ионами, обычно превышает время жизни
связей между молекулами свободной воды. Время жизни связанной воды
растет с ростом заряда иона и для 3-х зарядных ионов может достигать минут.
Вместе с тем, существует феномен отрицательной гидратации.

Отрицательная гидратация — уменьшение времени жизни молекул
воды связанных с одновалентными ионами К+, Rb+, Cs+.
Молекулы

ВОДЫ

Молекулы гявд

Неполярные соединения могут
вписываться в структуру водной
оболочки с образованием газогидратов

(на рис.

сн4 5.7нго клатратов,
называют

поскольку
локальной

газогидрат метана) и
Такой процесс часто
структурообразую-щим,
он связан с образованием
упорядо-ченной сетки

водородных связей молекул воды.

Иммобилизованная вода в

нанотрубках характеризуется высокой

упорядоченностью.

В некоторых органеллах и клетках свободной воды практически нет.

Существенную роль играют капиллярные явления и связанная с ними
капиллярная вода в почве, гидрогелях, клетках и транспортных системах
растений.

Физическая основа капиллярности — давление Лапласа над
искривленной поверхностью.

АР = сг CosO (— + —)

VR1	R2J

Вода является рекордсменом
по поверхностному натяжению
среди жидкостей. Её поверхностное
натяжение равно 72.75 мДж/м2, у
ССЦ — 26.6 мДж/м2 при 20 °C.
Выше только у ртути — 472 мДж/м2.
Высокое поверхностное натяжение
позволяет насекомым бегать по
поверхности воды и, возможно,
общаться друг с другом путем
возбуждения поверхностных волн.

Острый краевой угол

возникает на смачиваемой (лиофильной) поверхности; тупой — на
несмачиваемой (лиофобной). На чистом стекле вода растекается, а на
несмачиваемой поверхности вода образует капли, как на крыльях бабочки

или на листе лотоса.
Супергидрофобный «Наноковёр»,
сотканый китайскими исследователями,
образуют густо, но хаотично расположен-
ные нити из оксида цинка диаметром от 50
до 150 нанометров.

Супергидрофобная поверхность «наноковра»

Опираясь только на задние лапы, ящерица василиск способен быстро
бежать и по воде, как по суше, развивая скорость до 11 км/час. Бегая, он

пролетает некоторое
расстояние по воздуху.
Эта возможность
реализуется не за счет
поверхностного натя-
жения, а чисто
динамических меха-
нических характерис-
тик и аналогична
«печению блинов» —
бросанию вдоль поверхности воды плоских камней, которые могут
испытывать многократные прыжки по гладкой поверхности до погружения в
воду.

В целом, роль воды в живых организмах весьма разнообразна. Эти
возможности определяются ее уникальными микроскопическими и
макроскопическими характеристиками.

Вода является структурным элементом некоторых белков.

Она обеспечивает конформационную лабильность молекул
биополимеров.

Является стабилизирующим фактором биомембран и липидных
везикул.

Непосредственно участвует в биохимических реакциях.

Выполняет транспортную функцию.

Такое многообразие функций и ее уникальные свойства делают воду
необходимой для жизни.

Литература

1.	Д. Эйзенберг, В. Кауцман. Структура и свойства воды. 1975 (есть в интерне-
те)

2.	Martin Chaplin. Water structure and science, http://water.lsbu.ac.uk

3.	В.И. Лобышев, Л.П. Калиниченко. Изотопные эффекты D2O в биологических
системах, (есть на сайте кафедры биофизики).
10. Уровни организации белков:
от аминокислот к надмолекулярным
структурам

Белки — это важнейший класс биополимеров с удивительным
разнообразием функций. Наряду с другими биологическими
макромолекулами белки являются необходимыми компонентами всех живых
организмов и играют важную роль в жизнедеятельности клетки.

Транспортные белки связывают и переносят другие молекулы.
Переносящие протоны и электроны через мембрану белки обеспечивают
биоэнергетику. Структурные белки поддерживают структуру клеток и тканей.
Белки-ферменты обеспечивают катализ различных химических реакций в
клетке. Также белки обеспечивают защиту: иммунную (участвуют в
защитном ответе организма, как на повреждение, так и на атаку патогенов)
или химическую (осуществляют детоксикацию за счет связывания токсинов).
Белки — это и молекулярные машины. Кроме того, белки имеют
регуляторную, сигнальную, рецепторную, моторную функции.

При таком разнообразии функций, работа белков всегда базируется на
высокоспецифическом взаимодействии белка с молекулой — как у ключа с
замком, для чего необходима достаточно «твердая» пространственная
структура белковой молекулы (Финкельштейн, Птицын, 2012). Знание
молекулярной трехмерной структуры необходимо для понимания
функционирования белка.

Молекула белка — это полимер, состоящий из остатков L-аминокислот.
В начале XX в. Эмиль Фишер первым синтезировал пептиды из нескольких
аминокислот и предложил полипептидную теорию белка, согласно которой
аминокислоты соединялись между собой пептидной связью и образовывали
длинную цепь. К середине XX в. стало понятно, что пептидная цепь как-то
уложена в пространстве, и что разнообразие белков объясняется различиями
последовательности аминокислот в них и различным их расположением в
пространстве. Большое значение для изучения пространственной структуры
белков имели работы Л. Полинга и Р. Кори, в которых были сделаны
предположения о существовании спиральных и складчатых структур в белках
и приведены соответствующие расчеты. Но главную роль в выяснении
строения белковых молекул сыграл метод рентгеноструктурного анализа. В
1960 г. Кендрью и Перутц опубликовали в журнале «Nature» статьи о
структуре миоглобина и гемоглобина, и в 1962 г. исследователям была
присуждена Нобелевская премия по химии. Одной из основных претензий к
методу рентгеноструктурного анализа с самого начала исследования структур
белков являлась та, что при исследовании белки кристаллизуются. Вопрос о
том, одинакова ли структура белка в кристалле и в растворе, обсуждался
долгие годы. С помощью ядерного магнитного резонанса удалось показать,
что обычно она практически одна и та же.

Молекулы белков могут иметь различные пространственные
конфигурации, и в их строении различают четыре уровня структурной
организации (рисунок 10.1).

Первичная структура белка — последовательность аминокислотных
остатков, соединенных пептидной связью.

Вторичная структура белка — пространственная структура,
образующаяся в результате взаимодействия между функциональными
группами пептидного остова. Наиболее распространенными типами
вторичной структуры белка являются а-спирали и (3-листы.

Третичная структура белка — это укладка вторичных структур одной
полипептидной цепи в пространстве.

Четвертичная структура белка — укладка в пространстве нескольких
полипептидных цепей и формирование единого в структурном и
функциональном отношениях макромолекулярного образования.

Primary structure
зй’ппо acxJ sequence

Secondary structure
regular sub-slructures

Рис. 10.1. Уровни организации белковых структур. Источник изображения:
https://byjus.com/chemistry/protein-structure-and-levels-of-protein/

Quaternary structure
complex of protein molecules

Рассмотрим подробнее каждый уровень структурной иерархии белков.
Первичная структура белка

Первичная структура белка — последовательность аминокислотных
остатков, соединенных пептидной связью. Т.е. мономером белковой
структуры является аминокислота — молекула, содержащая карбоксильную
и аминогруппу Все аминокислоты являются амфотерными соединениями:
они могут проявлять как кислотные свойства, обусловленные наличием в их
молекулах карбоксильной группы, так и основные свойства, обусловленные
аминогруппой.

Все белки построены из 20 типов аминокислотных остатков. Кроме
20 стандартных аминокислот, существуют нестандартные аминокислоты,
являющиеся компонентами лишь некоторых типов белков. Ряд аминокислот,
не фигурирующих в белках, участвует в метаболизме.

В белках фигурируют остатки а-аминокислот, структура которых
приведена на рисунке 10.2. Аминокислоты отличаются друг от друга
строением радикала (R).

Рис. 10.2. Общая структура а-аминокислот. Источник изображения:
https://ru.rn. wikipedia.org/wiki/Аминокислоты

Из-за разнообразного строения и свойств аминокислоты можно
классифицировать по ряду признаков:

•	по полярности радикала при физиологических значениях pH (неполяр-
ные [гидрофобные], полярные [гидрофильные], ароматические [боль-
шей частью неполярные], отрицательно заряженные,положительно за-
ряженные);

•	по функциональным группам (алифатические, ароматические, гетеро-
циклические, иминокислоты);

•	-по способности организма синтезировать из предшественников (заме-
нимые и незаменимые);
•	по участию аминокислот в синтезе белков (протеиногенные и непро-
теиногенные);

•	по оптической активности в отношении плоскости поляризованного
света (право- и левовращающие);

•	по абсолютной конфигурации (L- и D-стереоизомеры) и пр.

Для 20 основных аминокислот средняя молекулярная масса составляет
138, однако в большинстве белков преобладают более легкие аминокислоты
(Нельсон, Кокс, 2011}. Если учесть вклад различных аминокислот в
построение белковых цепей, то средняя молекулярная масса аминокислоты,
входящей в состав белка, окажется равной приблизительно 128. Поскольку
при образовании каждой пептидной связи теряется одна молекула воды
(Мг = 18), средняя молекулярная масса аминокислотного остатка составляет
128-18-110.

Аминокислоты соединяются между собой пептидными связями.
Пептидная связь — вид амидной связи, которая возникает в результате
взаимодействия а-аминогруппы (—NH2) одной аминокислоты с
а-карбоксильной группой (—СООН) другой аминокислоты. Из двух
аминокислот образуется дипептид и молекула воды (рисунок 10.3). По этой
же схеме образуются белковые длинные цепочки на рибосоме.

Вода

Рис. 10.3. Образование дипептида. Источник изображения:
https://ru.rn. wikipedia.org/wiki/Аминокислоты

Важно, что первичная структура белков образована
последовательностью L-аминокислотных остатков. Вспомним, что
представляет собой хиральность — важная структурная особенность многих
биологических молекул.

Мы будем использовать классическое определение хиральности,
предложенное ещё лордом Кельвином: хиральность — особое свойство
какой-либо молекулы или объекта, не позволяющее ему быть совмещенным
со своим зеркальным отображением при любых вариациях перемещений и
вращений в трёхмерном пространстве.

Две хиральные молекулы, являющиеся зеркальным отображением друг
друга, называются энантиомерами, а две молекулярные структуры более
высокого уровня — энантиоморфами. Энантиомеры обладают одинаковыми
физико-химическими свойствами (температурами кипения и плавления,
плотностью и пр.), но отличаются по своей оптической активности,
характеризуемой величиной и знаком вращения плоскости поляризации. В
энантиомере (энантиоморфе) отсутствуют осевая симметрия и симметрия
относительно сторон.

Из двух возможных энантиомеров во всех живых видах предпочтение
отдается только одному типу, хотя (почти) симметрично эквивалентная
зеркальная форма также находит в некоторых случаях специализированное
биохимическое применение и представляется столь же распространенной в
неживом веществе.

В живых системах хиральная асимметрия обусловлена
гомохиральностью органических молекул, составляющих первичные
структуры биологических макромолекул: левых аминокислот в белках,
синтезируемых в рибосомах, и правых сахаров рибозы и дезоксирибозы в
нуклеиновых кислотах. Все основные углеводы, структурные и включенные
в метаболические цепи, правые. Мембраны клеток эукариотов составлены
гомохиральными семействами левых (фосфо)липидов и холестерина.
Известные отклонения от этой закономерности связаны со специальными
функциями соединений и особенностями их синтеза.

Аминокислоты хиральны: они могут находиться в двух стерических
формах, L и D (за исключением глицина). Белковые цепи сложены только из
остатков L-аминокислот. D-аминокислотные остатки, встречающиеся в
коротких пептидных цепочках, не кодируются при матричном синтезе белка,
а включаются в особых случаях в полимерную цепь специальными
ферментами.

В белковой цепи аминокислоты связаны пептидной связью, и плоская
форма пептидной группировки играет важную роль в структуре белка наряду
с жесткостью. Изменение конформаций соседних по цепи аминокислотных
остатков может происходить почти независимо друг от друга, однако
вращения по углам ф и ф внутри остатка взаимосвязаны. «Разрешенные» и
«запрещенные» конформации остатка, изображенные в координатах (ф и ф),
называются картами Рамачандрана.

Вторичная структура белка

Вторичная структура белка — конформация полипептидной цепи,
закрепленная водородными связями между N-Н и ОО группами. Между
атомами водорода аминогрупп и атомами кислорода карбонильных групп
образуются внутримолекулярные водородные связи, и полипептидные цепи,
укладываясь, образуют регулярную и нерегулярную вторичную структуру.
Регулярная вторичная структура — образованная аминокислотными
остатками с одинаковой конформацией главной цепи (углы ср и \р), при
разнообразии конформаций боковых групп. Нерегулярная вторичная
структура — образованная аминокислотными остатками с разной
конформацией главной цепи. Остановимся на них подробнее.

Регулярная вторичная структура

Существует два основных способа укладки цепи: спираль и
складчатый слой. Наиболее распространенными регулярными вторичными
структурами являются а-спирали и P-листы. Возможны и другие регулярные
спиральные структуры (Зю-спираль, д'-спираль, 27-спираль), но они встреча-
ются значительно реже.

На каждый виток а-спирали приходится 3,6 аминокислотного остатка,
шаг спирали составляет 0,54 нм (рисунок 10.4). Все радикалы аминокислот
находятся снаружи спирали. а-Спираль стабилизирована водородными
связями между NH-группой и СО-группой четвертого по счету

Рис. 10.4. Параметры а-спирали. Источник изображения:
https://xumuk.ni/biologhim/021 .html
аминокислотного остатка. Как правило, а-спираль является правым
энантиоморфом; правая а-спираль стабильнее левой. Зеркально-
симметричная левая а-спираль встречается в природе крайне редко, хотя
энергетически возможна. От 32 до 38 % всех аминокислотных остатков
глобулярных белков входят в состав а-спиралей. Из статистического анализа
трёхмерных структур белков в белковом банке данных PDB известно, что
средняя длина а-спиралей в белках составляет 10 аминокислотных остатков.
Неполярные или амфифильные а-спирали с 5—6 витками часто обеспечивают
заякоривание белков в биологических мембранах.

Несколько зигзагообразных полипептидных цепей, в которых
водородные связи внутри каждой цепи отсутствуют, но соединенных
водородными связями между собой, образуют Р-структурный лист. В состав
[3-листов входят 20—28% всех аминокислотных остатков глобулярных белков.

Если цепи (3-листа ориентированы в противоположных направлениях,
структура называется антипараллельным [3-листом, а если цепи
ориентированы в одном направлении — параллельным [3-листом
(рисунок 10.5). Обычно [3-листы часто встречаются в глобулярных белках и
содержат не более, чем 6 [3-тяжей. Статистика по известным структурам
белков не выявляет каких-либо преимуществ между параллельными и
антипараллельными [3-листами, однако отмечает, что параллельные [3-листы,
состоящие из менее четырех тяжей, встречаются редко, что отражает их
низкую стабильность. Смешанные (3-листы встречаются гораздо реже, чем
чисто параллельные или антипараллельные.

Parallel ft sheet

6.5 А

Lehnwipd- Pnncjpta	Sixth Edit ton

C 201J W. H. Freeman and Company

Antiparallel fl sheet



Рис. 10.5. Параллельный (слева) и антипараллельный [3-лист. Источник изображе-
ния: Lehninger Principles of Biochemistry

Зю-Спирали являются третьими по распространенности структурами в
глобулярных белках, после а-спиралей и |3-листов (рисунок 10.6). Как
правило, это короткие спирали, расположенные в местах поворотов а-
спиралей или на их концах, что приводит к неоднородностям в структуре
белков. На каждый виток Зю-спирали приходится 3 аминокислотных остатка.
Эти структуры менее стабильны по сравнению с а-спиралями. В основном
3 ю-спирали на

516 или л-спирали, реже встречаются в белках. Как правило, л-
спирали находятся рядом с функциональными сайтами белков. Большинство
природных л-спиралей состоит из семи аминокислотных остатков. Причина
низкой встречаемости данной структуры в белках может быть в следующем.
Из-за большого радиуса л-спирали атомы основной цепи не формируют Ван-
дер-Ваальсовых контактов поперёк оси спирали, что приводит к образованию
пустоты в её центре. Но такая пустота мала для заполнения водой, и наличие
пустот в белковой структуре не выгодно энергетически.

pl helix

Зю helix

alpha helix

Рис. 10.6. Три типа спиралей: Зю-, а- и л-спираль. Источник изображения:
https://proteopedia.org/wiki/index.php/Helices in Proteins

Еще один тип регулярной вторичной структуры белка —
полипролиновая спираль, которая стабилизируется Ван-дер-Ваальсовыми
взаимодействиями. Она формируется в полипептидных цепях, богатых
пролином, где формирование насыщенной системы водородных связей по
этой причине невозможно. Две левые полипролиновые спирали образуют
третичную структуру — правую суперспираль. Похожая структура
реализуется в коллагене: из трех левых poly(Pro)II спиралей, имеющих
межцепочечные водородные связи, образуется правая суперспираль
коллагена.

Нерегулярная вторичная структура

В полипептидных цепях, помимо регулярных вторичных структур,
есть еще и нерегулярные — не образующие длинные периодические системы
К ним относят повороты, или изгибы, петли различных типов. Они
обеспечивают изменение направления полипептидной цепи. Нерегулярные
структуры выполняют роль связующего звена между регулярными
вторичными структурами. На повороты приходится примерно от 30% до 50%
аминокислотных остатков в глобулярных белках. Повороты располагаются
преимущественно на белковой поверхности и, следовательно, содержат
полярные и заряженные остатки. Наиболее часто встречаются так
называемые P-повороты. В Р- повороты обычно входит около половины
остатков, не попавших в регулярные вторичные структуры белка. Повороты
являются достаточно стабильными структурами, поскольку эти элементы
должны активно способствовать сворачиванию и поддержке глобулярной
формы белка.

В результате многолетнего исследования белковых структур можно
говорить о тенденции определенных аминокислотных остатков формировать
тот или иной тип вторичной структуры. Известно, что глицин и
аминокислоты с полярными группами в боковых цепях участвуют в
формировании нерегулярных участков (на поверхностных нерегулярных
участках полярные группы могут создавать водородные связи, как с
полипептидной цепью, так и с водой).

Общая тенденция расположения аминокислотных остатков внутри белка
или на его поверхности заключается в следующем: полярные (гидрофильные)
боковые группы находятся снаружи, где они могут контактировать с
полярными молекулами воды, а большинство гидрофобных боковых групп
находятся внутри белка, создавая там гидрофобное ядро.

В гидрофобное ядро вовлекается цепь, уже образовавшая (или
образующая при этом) вторичную структуру и тем самым насытившая
водородные связи пептидных групп в главной цепи (Финкельштейн, Птицын,
2012). Однако при этом в ядро должны увлекаться только гидрофобные
остатки вторичной структуры, а входящие в нее полярные остатки должны
остаться вне ядра, потому и на а-спиралях, и на Р-структурных участках
выделяются гидрофобные и гидрофильные поверхности; для их создания
необходимо определенное чередование соответствующих групп в белковой
цепи.

Третичная и четвертичная структуры белка

Третичная структура белка — это укладка вторичных структур одной
полипептидной цепи в пространстве. Если же нескольких полипептидных
цепей формируют единый в структурном и функциональном отношениях
комплекс, то речь идет о четвертичной структуре.

По общему типу строения белки принято разделять на три класса:

•	Фибриллярные белки,

•	Мембранные белки,
•	Водорастворимые глобулярные белки.

Нужно заметить, что такое деление довольно грубое. Например, белок
может состоять из фибриллярного «хвоста» и глобулярной «головки» (как
мышечный белок миозин).

Фибриллярные белки. Пространственная структура фибриллярных
белков обычно высокорегулярна и сложена из довольно больших блоков
вторичной структуры. Фибриллярные белки играют в основном структурную
роль. Выделяют а- и Р-структурные фибриллярные белки.

Образование несколькими а-спиралями нетривиальных конструкций
заинтересовало исследователей вскоре после появления модели а-спирали
Л.Полинга. Принципиальными стали выполненные независимо в начале
1950-х гг. исследования Полинга и Крика. Крик отметил, что две а-спирали,
скрученные друг относительно друга под углом около 20°, взаимодействуют
друг с другом, причем это взаимодействие характеризуется периодом в
7 аминокислотных остатков (или 2 поворота а-спирали). Он назвал такой
пучок из а-спиралей “coiled-coil”, или суперспиралью, а тип упаковки
боковых цепей, характерный для этой суперспирали, — “knobs into holes”
(KIH) — «выступы во впадину». При такой упаковке аминокислотный
остаток одной спирали (“knob”) укладывается в пространство между
четырьмя остатками другой спирали (“hole”). Последовательности, входящие
в состав суперспиралей, составляют до 10% протеома организма.

Заметим, что исходная модель

Рис. 10.7. Диаграмма поперечного
сечения суперспирали coiled-coil (А)
и 3D-модель суперспирали (В).

Источник: Fletcher J.M., Boyle A.L.,
Bruning М., et al. ACS Synth Biol.
2012$ l(6):240-250

а-спирали Полинга была левой, а
суперспираль Крика, состоящая из
левых модельных спиралей, была
правой. Крик также предполагал
существование пучков правых а-
спиралей и пучков из комбинаций
правых и левых а-спиралей, но в
целом он считал вопрос
закрученности на тот момент не
разрешенным полностью.

Позже предположения Крика были
развиты:	каноническая

последовательность	суперспирали

состоит из гептад — повторяющихся
7 аминокислотных остатков. Позиции
остатков в гептаде обычно
обозначаются как a-b-c-d-e-f-g
(рисунок 10.7).
Как правило, в позициях а и d находятся гидрофобные остатки (наиболее
часто — лейцин, изолейцин и валин), в позициях е и g — полярные
аминокислотные остатки (наиболее часто — лизин и глутаминовая кислота).
При взаимодействии остатков and формируется гидрофобное ядро, а между
остатками eng имеют место ионные взаимодействия.

Самой простой конструкцией суперспирали является димер, при этом
ориентация а-спиралей может быть как параллельной, так и антипа-
раллельной. Встречаются суперспирали, содержащие до 7 (и даже более) а-
спиралей (рисунок 10.8). Для суперспиралей из 2 а-спиралей шаг
суперспирали составляет около 140 А, для суперспиралей из 3-4 а-спиралей
— около 200 А.

Рис. 10.8. Суперспирали coiled-coil, состоящие из трех, четырех и пяти а-спиралей,
соответственно.

Мембранные белки. Данный класс белков обеспечивает транспорт
веществ через мембрану, а также рецепцию и межклеточные коммуникации.
Трансмембранная часть таких белков может быть сложена как из нескольких
а-спиралей, так и из Р-листов.

Мембраны состоят из жира (липидов) и белков. Особая роль
мембранных белков — обеспечивать транспорт через нее различных веществ
и сигналов.

По характеру взаимодействия с мембраной белки можно разделить на
монотопические (взаимодействуют с поверхностью мембран), битопические
(пронизывают мембрану насквозь), политопические (пронизывают мембрану
несколько раз). Также можно классифицировать мембранные белки по
выполняемой ими функции (белки — ферменты; белки — рецепторы;
транспортные белки).

По расположению в мембране белки можно разделить на интегральные
и периферические. Интегральные белки являются, как правило,
гидрофобными и легко встраиваются в липидный бислой. Особенность
интегральных белков — наличие в их полипептидной цепи довольно
протяжённых участков с преобладающим содержанием неполярных
аминокислот. Периферические белки обладают меньшей глубиной
проникновения в липидный бислой, и, соответственно, более слабо
взаимодействуют с липидами мембраны, оказывая на них гораздо меньшее
воздействие, чем интегральные.

В качестве примера мембранного белка рассмотрим бактериородопсин
(рисунок 10.9). Бактериородопсины осуществляют перенос протона через
плазматическую мембрану, действуют как зависимая от света протонная
помпа.

Трансмембранная часть бактериородопсина сложена из семи
регулярных а-спиралей, образующих слегка наклоненный к ее плоскости
пучок. Р-шпилька и все нерегулярные участки цепи расположены вне
мембраны.

Поглощение кванта света приводит к быстрым структурным
изменениям в молекуле, благодаря которым происходит перенос катиона
водорода с цитоплазмы на внешнюю сторону клеточной мембраны.

Рис. 10.9. Структура бактериородопсина. Источ-
ник изображения:
https://ni.wikipedia.org/wiki/EaKTepHopoHoncnH

Молекула кофактор, ретиналь, участвует
в протонной проводимости. Ретиналь
расположен внутри пучка спиралей, он
перекрывает центральный канал бактерио-
родопсина. После поглощения фотона

ретиналь переходит из trans- в сй-форму. При этом он изгибается (причем
конформация белкового тела также несколько меняется) и переносит протон с
одной стороны бактериородопсинового пучка на противоположную
(обращенную к внешней поверхности клетки, где свободных протонов
больше, чем внутри). Затем ретиналь разгибается и возвращается назад, но
уже без этого протона — за следующим.

Водорастворимые глобулярные белки. Этот класс белков является
наиболее тщательно изученным. Небольшие полипептидные цепи
укладываются в компактные глобулы, а более крупные белки организованы
из нескольких доменов. Каркас глобул в основном сложен из а-спиралей и Р-
листов. В зависимости от того, как устроен каркас, среди глобулярных белков
выделяют белки «чистые» (состоящие преимущественно из а-спиралей или
преимущественно из P-листов) и белки «смешанные» (а/р-белки и а+Р-белки,
рисунок 10.10). Большие белки могут содержать домены (компактные
субглобулы) разных типов одновременно.
[j-Белки. Вытянутые участки цепи собраны обычно в два, реже — в
несколько P-листов, уложенных друг на друга. В Р-белках преобладает
антипараллельная Р-структура.

а-Белки. Расположение а-спиралей в глобуле поддерживается плотной
упаковкой их боковых групп, которые весьма разнообразны по размеру => а-
белки труднее классифицировать.

«Смешанные» белки. Для них характерна слоистая структура: а-
спирали и P-листы не могут лежать в одном слое, поскольку это привело бы к
энергетически невыгодной дегидратации водородных связей на краю Р—листа.
Различают а/р~ и а+Р-белки.

Рис. 10.10. Слева направо: Р-, а-, а/p- и а+Р-белки.

Супрамолекулярные структуры

Рассмотрим структуры следующего иерархического уровня —
супрамолекулярные — на примере белков мышечного саркомера и моторных
белков. Структурной единицей поперечнополосатой мышцы является
саркомер, главными составляющими которого являются актиновые и
миозиновые протофибриллы (рисунок 10.11). Фибриллярная нить F-актина
собирается из мономеров глобулярного белка G-актина, при этом каждый
мономер поворачивается на 166° и образует двухцепочечную спираль,
закрученную правым образом. На нить F-актина «наматывается»
фибриллярный белок тропомиозин. Тропомиозин представляет собой
структуру типа coiled coil, для которой характерно образование
левозакрученной суперспирали из двух правозакрученных а-спиралей. В
более изученном белке тропомиозине (а-тропомиозин скелетных мышц)
наблюдается внутримолекулярное перекрытие а-спиралей левым образом.

Моторные белки, такие как кинезин и динеин, имеют схожую с
миозином структуру. Кинезин представляет собой молекулу приблизительно
380 кДа, состоящую из двух тяжелых цепей и двух легких цепей. Динеин —
чрезвычайно большая молекула (до 2000 кДа), которая состоит из двух или
трех тяжелых цепей в комплексе с переменным числом легких и
промежуточных полипептидов с массами 14—120 кДа. Как и в кинезине,
тяжелые цепи образуют шарообразные АТФ-связывающие моторные домены,
которые ответственны за движение вдоль микротрубочек. Тяжёлые цепи
моторных белков образуют глобулярную головку, соединенную с длинной
центральной спирально скрученной ножкой, которая заканчивается хвостом,
содержащим легкие цепи.

Рис. 10.11. Слева: схема структуры взаимодействия актиновой фибриллы (1)
с миозиновой фибриллой (2); справа: схема структуры взаимодействия кинезина (1)
с микротрубочкой (2)

Несмотря на значительное расширение и уточнение наших знаний
относительно деталей строения белковых молекул, остаются справедливыми
классические физико-химические представления о структуре белковой
глобулы как цельного трёхмерного образования: гидрофобное ядро,
включающее а-спирали и P-структуры, иммобилизующие водородные связи
от контактов с водным окружением окружает гидрофильная оболочка,
составленная промежуточными неупорядоченными фрагментами
полипептидной цепи. От обычных коллоидных полимерных частиц белковая
глобула отличается повышенной жесткостью и анизотропией, вызванными
наличием упомянутых структурных элементов. Относительно фибриллярных
и мембранных белков следует сказать, что для них выполняются те же общие
физико-химические принципы гидрофильно-гидрофобных взаимодействий.

Опыты К. Анфинсена в конце 1950-х - начале 1960-х гг.
продемонстрировали определение аминокислотной последовательностью
пространственной структуры белка при подходящих условиях. Стало ясно,
что структура белка детерминирована самой его аминокислотной
последовательностью (Финкельштейн, Птицын, 2012).

Процесс фолдинга — процесс укладки первичных цепей макромолекул
белков в пространственно уникальную, функционально специфичную и
активную конфигурацию — один из наиболее загадочных вопросов наук о
живом. Молекула белка начинает формироваться как полипептид,
транслируемый из последовательности мРНК в виде линейной цепочки
аминокислот. При взаимодействии аминокислот друг с другом и клеточным
окружением получается определённая трёхмерная структура. Для
стабилизации этой структуры многие белки в клетке подвергаются
посттрансляционной модификации. Правильная трёхмерная структура белка
крайне важна для его корректной работы.

Физические аспекты механизма сворачивания белков до конца не
изучены. Активно ведутся попытки предсказать пространственную структуру
белка из его аминокислотной последовательности (и, надо заметить,
довольно успешные в последние пару лет!).

Для каждой аминокислотной последовательности теоретически можно
предположить множество путей, по которым она следует для достижения
нативной конформации. Однако белок не осуществляет перебор всех
возможных вариантов.

Известен парадокс, сформулированный в 1968 г. Сайрусом Левин-
талем: «промежуток времени, за который полипептид приходит к своему
скрученному состоянию, на много порядков меньше, чем если бы
полипептид просто перебирал все возможные конфигурации». Объяснение
парадокса основывают на предположении о существовании энергетической
воронки в конфигурационном пространстве на поверхности потенциальной
энергии со сложным ландшафтом, которая втягивает процесс сворачивания
полипептидной цепи в нативную конформацию. Предполагается, что эта
воронка, характеризующаяся минимумом свободной энергии, задаёт
направление траектории фолдинга в конфигурационном пространстве
макромолекулы, проходящей через цепочку локальных минимумов энергии.
Вслед за классическими работами О.Б. Птицына, предложившего
рассматривать сворачивание белка как процесс сборки вторичных структур, в
работах А.В.Финкельштейна и соавторов обосновывается, что решение
парадокса возможно на уровне формирования и упаковки вторичных
структур белков за счет существенного уменьшения числа подлежащих
перебору состояний.

Считается, что фолдинг белков происходит поэтапно: линейная
цепочка быстро сворачивается с образованием статистического клубка. Затем
гидрофобные аминокислотные остатки размещаются внутри молекулы,
образуя гидрофобное ядро, а гидрофильные аминокислотные остатки
размещаются снаружи, где они могут контактировать с полярными
молекулами воды. В результате формируется расплавленная глобулы, после
чего происходит образование специфических связей. Белок переходит в
нативную конформацию. Выяснение деталей процесса сворачивания белков
остается очень важной и актуальной задачей.
Задачи для самостоятельного решения:

1.	Чему приблизительно равна молекулярная масса белка, состоящего из

150 аминокислотных остатков, соединенных в пептидную цепь?

2.	Каков диаметр глобулы из 150 аминокислотных остатков? Средний
объем аминокислотного остатка « 141 А3.

3.	При благоприятных внешних условиях бактерия Halobacterium
halobium, обитающая в соленых водоемах, синтезирует мембранный
белок бактериородопсин (Мг = 26000), имеющий пурпурную окраску
благодаря содержащемуся в нем ретиналю. Молекулы этого белка об-
разуют в клеточной мембране агрегаты в виде «пурпурных заплаток».
Бактериородопсин действует как активируемый светом протонный на-
сос и снабжает клетки энергией. Рентгеноструктурный анализ белка
показал, что он состоит из семи параллельно расположенных а-
спиральных участков, каждый из которых пересекает мембрану бакте-
риальной клетки (толщина мембраны 45 А). Определите минимальное
число аминокислотных остатков, необходимо для образования а-
спирального участка, способного полностью пронизывать мембрану.
Оцените долю аминокислотных остатков бактериородопсина, задейст-
вованных в образовании а-спиралей (считайте, что средняя молеку-
лярная масса аминокислотного остатка равна 110).

4.	Волосы растут со скоростью 15-20 см в год. Зона роста находится у
основания волоса, где в клетках эпидермиса синтезируются и скручи-
ваются нити а-кератина. Основным структурным элементом а-
кератина является а-спираль, виток которой имеет шаг 5,4 А и содер-
жит 3,6 аминокислотных остатка. Считая, что лимитирующим факто-
ром роста волос является биосинтез спиралей кератина, рассчитайте
скорость образования пептидных связей а-кератина (число пептидных
связей в секунду), которая обеспечивает наблюдаемый рост волос.

Литература:

1.	Волькенштейн М.В. Биофизика. М., Наука, 2008

2.	Финкельштейн А.В., Птицын О.Б. Физика белка. М: КДУ, 2012

3.	Рубин А.Б., Биофизика. В 2 т. Издательство МГУ: НАУКА, М.:2004 г.

4.	Нельсон Д., Кокс М. Основы биохимии Ленинджера: в 3 т. Т.1; пер. с англ. М.:
БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. 694 с.: ил.
11. Структура и функции нуклеиновых кислот

Введение

Нуклеиновые кислоты относятся к важнейшему классу биополимеров,
осуществляющих ряд функций, центральных для жизни клетки. Эти
молекулы являются физическими носителями генетической информации и
активно участвуют в её реализации. В данном разделе курса кратко изложены
принципы строения и работы нуклеиновых кислот.

Механизмы формирования (роста) кристаллов на молекулярном уровне
— достраивание новых атомарных слоев на регулярной решетке атомов —
натолкнули гениального биолога Николая Константиновича Кольцова на
идею о том, что в основе репликации хромосом (удвоения хромосом в
процессе деления клеток) лежит матричный синтез. Матричный синтез
подразумевает, что по одной матрице (молекуле) достраивается нечто
подобное.

Сегодня мы знаем, что данный принцип действительно реализуется не

только в процессе удвоения ДНК (когда двойная спираль расходится и

напротив каждой цепочки синтезируется
другая, давая в результате две двойных
спирали вместо одной), но и в процессе
реализации генетической информации —
когда напротив одной из цепей ДНК строится
цепочка РНК.

Глубокая аналогия между кристаллами
и нуклеиновыми кислотами имеет непосред-
ственный физический смысл: физики в
некоторых случаях описывают ДНК как
одномерный апериодический кристалл.
Объяснение этой терминологии и других
идей будет дано ниже.

Портрет Н.К. Кольцова.

Часть 1.

Первичная структура ДНК

Для того, чтобы лучше понять принципы организации и работы
нуклеиновых кислот, для начала обратимся к их химическому строению.

На рисунке 11.1 показан небольшой фрагмент молекулы ДНК. Можно
выделить важнейшие молекулярные группы: фосфатные, несущие
отрицательный электрический заряд (именно благодаря остаткам фосфорной
кислоты ДНК называют кислотой), D-дезоксирибозы (пятичленный цикл с
«хвостом» из атома углерода) и азотистые основания, покрашенные на
рисунке в разные цвета. Нуклеотидом называется элементарный
строительный блок, который состоит из фосфатной группы, дезоксирибозы и
одного из 4 оснований — аденина (А), гуанина (Г), цитозина (Ц) или тимина
(Т). Нуклеотиды химически соединяются в цепочку: к ОН- группе
дезоксирибозы одного нуклеотида присоединяется фосфатная группа другого,
таким образом, получается полимер, у которого можно выделить направление.
Как правило, условно «положительным» считается направление от
фосфатной группы первого нуклеотида до ОН-группы последнего
нуклеотида в полимере. Первая фосфатная группа (несущая двойной
отрицательный заряд, в отличие от остальных) относится к 5’ концу
молекулы (читается «пять штрих»), а ОН группа последнего нуклеотида — 3 ’
концом молекулы. Такое обозначение (номенклатура) связана с принципом
нумерации атомов дезоксирибозы и в данном случае не имеет
принципиального значения. Важным является направление синтеза цепи
ДНК: как следует из вышенаписанного, это направление (то есть направление
достраивания — в какую сторону происходит наращивание цепочки) —
является условно положительным. Первичной структурой называется
последовательность нуклеотидов — то есть конкретный порядок оснований в
цепочке. Для одной цепи длиной в 5 нуклеотидов возможны 45 = 1024
вариантов последовательностей оснований.

Рис. 11.1. Первичная структура фрагмента двуцепочечной ДНК. Адаптировано из
https://en.wikipedia.org/wiki/DNA.
Особенности строения двуцепочечной ДНК

В клетке ДНК чаще всего находится в виде двойной спирали, — когда
напротив одной цепочки определенными образом расположена другая. Под
вторичной структурой ДНК понимают определенную геометрию молекулы,
которая формируется при взаимодействии цепей ДНК друг с другом. Из
рисунка 11.1 можно сделать несколько важных выводов:

1.	цепочка ДНК, как правило, является антипараллельной — цепи,
формирующие двойную спираль (иногда ее называют дуплексом),
имеют противоположные направления;

2.	имеет место принцип комплементарности: напротив аденина в
большинстве случаев находится тимин, напротив гуанина — цитозин.
Именно это однозначное соответствие лежит в основе матричного син-
теза ДНК и РНК: напротив одного нуклеотида, в зависимости от его
типа (от типа его основания) будет достроен комплементарный, то есть
однозначно соответствующий ему нуклеотид.

3.	В основе комплементарности лежит формирование водородных свя-
зей между определенными атомами оснований (на рисунке они пока-
заны пунктирными линиями).

Стабилизируют двойную спираль ДНК водородные связи,
вандерваальсовы взаимодействия между соседними по цепи основаниями
(так называемое стэкинг-взаимодействие, имеющее электрическую природу,
которую удается точно описать только в рамках квантовой механики), а также
эффекты взаимодействия цепей с растворителем и ионами. Следует отметить,
что двойная спираль стабильна только при достаточно высокой концентрации
ионов в растворе (ионной силе раствора): в противном случае отрицательный
заряд на фосфатных группах не будет в достаточной степени экранирован, —
и силы кулоновского отталкивания в среднем будут превосходить силы,
стабилизирующие двойную спираль.

Таким образом, структура двойной спирали стабилизируется только
невалентными взаимодействиями, что приводит к тому, что даже при
нормальной температуре две цепочки могут разойтись (по крайней мере, на
некотором участке молекулы и на непродолжительное время). По всей
видимости, эта особенность ДНК играет важную роль в процессе ее
функционирования: ведь для полимеризации ДНК или синтеза РНК
специальным белкам необходимо расцепить две нити, чтобы иметь
возможность достраивать комплементарную цепочку.

Из принципа комплементарности тривиальном образом следуют
правила Чаргаффа, на которых мы здесь не будем останавливаться.
Вторичные структуры ДНК

Остановимся подробнее на типах двойных спиралей (или вторичных
структур), которые могут формировать две цепи ДНК. На сегодняшний день
выделяют три типа основных структур — это так называемая A-форма, В-
форма (в ней преимущественно находится ДНК в клетке) и Z-форма
(рисунок 11.2). Как видно из рисунка, А- и В-формы являются правыми
спиралями, в то время как Z-форма является левой спиралью. Свое название
Z-форма получила из-за зигзагообразной формы сахарофосфатного остова
(это можно проследить на рисунке 11.2 по геометрии оранжевых линий,
которые соединяют соседние фосфатные группы).

Рис. 2. Вторичная структура ДНК может иметь несколько форм. Адаптировано из:
https://www.researchgate.net/figure/Representation-of-the-A-B-and-Z-forms-of-DNA-
29_figl5_283775215

Чтобы получить A-форму ДНК из В-формы, нужно достаточно сильно
уменьшить концентрацию воды (например, добавляя в раствор этанол). В
живой клетке, скорее всего, данная форма в нормальных условиях не
встречается. Z-форма может получиться, например, при наличии
достаточного сильного разматывающего правую спираль механического
напряжения в молекуле. Локализация Z-формы ДНК и ее роль в живой клетке
на сегодняшний день продолжает исследоваться.

Физические свойства ДНК

После открытия спиральной структуры ДНК физики принялись
активно изучать свойства данного уникального биополимера. Оказалось, что
с точки зрения электрических и оптических свойств, молекулы ДНК не
обладают какими-либо уникальными характеристиками: при обычных
условиях молекула ДНК является диэлектриком (понятие проводимости
обычно применяются для описания характеристик материалов на
макроуровне, однако данную величину можно измерить и для отдельных
молекул). Раствор, содержащий молекулы ДНК оптически прозрачен и
неплохо поглощает электромагнитное излучение в области ультрафиолета,
тем самым, напоминая стекло с точки зрения электрических и оптических
свойств.

Механические свойства отдельных молекул ДНК и термодинамические
свойства их растворов, напротив, демонстрируют ряд интересных
особенностей, которые, по всей видимости, отражают важные свойства этого
биополимера, имеющие и биологический смысл.

Плавление ДНК

При повышении температуры раствор молекул ДНК демонстрирует
поведение, напоминающее фазовый переход. Данный переход часто
исследуется при помощи анализа поглощения раствором ДНК ультрафиолета
на длине волны 260 нм: в некотором диапазоне температур происходит резкое
увеличение поглощения раствора (рисунок 11.3, справа). Данный эффект
связан с тем, что при повышении температуры часть молекул теряет
регулярную вторичную структуру, так как цепи, образующие двойную
спираль, расходятся (рисунок 11.3, слева). Увеличение поглощения связано с
так называемым гипохромным эффектом ДНК: поглощение ультрафиолета
азотистыми основаниями ниже в случае их регулярной упаковки «в стопки»,
характерной для двойной спирали, чем в случае их малоупорядочного
расположения друг относительно друга (что имеет место в случае
расхождения цепей — когда каждая цепочка представляет собой «случайный
клубок» — см. далее).

Важным отличием такого фазового перехода от классического фазового
перехода первого рода (например, — плавления льда) — является его
конечный температурный диапазон. Температурой плавления ДНК
называется температура, при которой половина молекул находится в
состоянии двойных спиралей. Данная температура зависит от нуклеотидного
состава молекул ДНК, от ионной силы раствора и ряда других физико-
химических факторов, но для нормальных условий (в данном случае под
нормальными условиями понимается в первую очередь физико-химические
параметры раствора — соответствие ионной силы и pH величинам,
ожидаемым для внутриклеточной среды), температура плавления ДНК
составляет около 65° С.
IIIIIIIIIII1IIIIIIIIIHIIIIIIIIIII

Рис. 11.3. Плавление ДНК и гипохромный эффект как способ изучения процесса
плавления.

Как уже было отмечено, наличие тепловых флуктуаций и невалентный
характер взаимодействий, стабилизирующих структуру двойной спирали,
приводит к тому, что даже при физиологических температурах некоторые
участки двойных спиралей могут расходиться — то есть «подплавляться».
При увеличении температуры, количество таких участков и их время жизни
увеличивается (рисунок 11.3, слева), что, в конечном итоге приводит к
полной потери вторичной структуры и расхождению цепей.

Локальные конформационные параметры двойной спирали ДНК

В нулевом приближении структуру В-формы ДНК можно описать
несколькими геометрическими параметрами. Считая пары оснований
плоскими, можно ввести три трансляционных и три угловых параметра,
описывающих относительное расположение двух подряд идущих пар
оснований. Важнейшими параметрами для дальнейшего рассмотрения
являются rise (характеризующий расстояние между плоскостями, которые
образуют две пары оснований) и twist (характеризующий поворот вокруг оси
спирали одной пары оснований, относительно соседней).

С целью упрощения дальнейших выкладок, примем, что данные
параметры для В-формы ДНК составляют в среднем 3.4 А и 36° (л/5),
соответственно. Таким образом, один виток спирали имеет длину порядка
3.4 нм и включает около десяти пар оснований. Диаметр В-формы ДНК
составляет около 2 нм.
ось двойной спирали

Slide (Ds):AFv

Shift (D,):

Рис. 11.4. Локальные конформационные параметры двуцепочечной ДНК.

Описание геометрии протяженной молекулы двуцепочечной ДНК

Перейдем к рассмотрению геометрии длинных цепочек ДНК в
растворе. Подобно тому, как длинный шнур принимает линейную геометрию
только в случае достаточно высоких растягивающих усилий, протяженная
молекула ДНК в условиях отсутствия растягивающих сил будет принимать
случайную укладку в пространстве, так как тепловые флуктуации будут
приводить к отклонениям оси двойной спирали от идеально прямой
геометрии. Однако, на малых масштабах (порядка нескольких витков
спирали) ось спирали будет сохранять линейных характер (как и небольшой
участок длинного шнура/веревки). Таким образом, реальная геометрия
достаточно длинной двойной спирали ДНК в растворе будет зависеть от
соотношения между характерными энергиями тепловых флуктуаций
(величина, пропорциональная абсолютной температуре) и локальной
гибкостью молекулы.

Рассмотрим простейшую из моделей случайного полимерного клубка
— модель свободно-сочленённой цепи: предположим, что молекулу можно
представить в виде некоторого количества абсолютно жестких линейных
участков, которые соединяются идеальными шарнирами, а направление
каждого следующего сегмента является случайным и не зависит от
направления предыдущего. Длина такого сегмента называется куновской
длиной (Z>) (рис. 11.5).
Рис. 11.5. Модели свободно-сочлененной цепи (справа) и червеобразной цепи (сле-
ва).

Получим выражение для среднего квадрата расстояния между концами
такой цепи: возводя в квадрат выражение и усредняя (либо по ансамблю
молекул, либо по времени) получим, что средний квадрат равен
произведению куновской длины b на контурную длину L молекулы (то есть
длину цепочки в ее вытянутой линейной конфигурации):

Таким образом, характерный размер случайного клубка
пропорционален квадратному корню из его контурной длины. Величина
куновского сегмента b для В-формы ДНК при нормальных условиях
составляет около 100 нм, то есть молекулу ДНК в некотором приближении
можно считать линейной на масштабах порядка 300 пар оснований (или
около 30 витков спирали). Для одноцепочечной ДНК данная величина
составляет порядка 3 нм.

Более реалистичная модель — так называемая модель червеобразной
цепи полимера — описывает его в рамках статистической механики тонкого
эластичного стержня. Для такой модели вводится понятие персистентной
длины, которая соответствует характерному расстоянию падения корреляции
в направлении цепи. Можно показать, что для такой модели получается
идентичная формула для зависимости среднего размера случайного клубка от
его контурной длины (вместо величины b в этой формуле стоит удвоенная
персистетная длина Р, поэтому можно условно считать, что Ъ = 2 Р).

Персистентная длина обратно пропорциональна температуре и прямо
пропорциональна модулю упругости (Юнга) стержня, что как бы отражает
ранее отмеченное «противоборство» механической жесткости полимера и
тепловых флуктуации в такой системе.
Часть 2.

Функции ДНК в клетке и основы молекулярной биологии

В данном разделе кратко описаны ключевые функции ДНК в живой
эукариотической клетке. Изложение будет очень сильно упрощено для
понимания принципиальных особенностей тех многочисленных и не до
конца изученных процессов, которые приводят к нормальному
функционированию клетки и живых организмов.

Функциональной единицей наследственности, в соответствие с
классической генетикой, является ген. С точки зрения молекулярной
биологии, каждому гену соответствует определенный участок молекулы ДНК,
который каким-то образом может себя проявлять (биологии говорят об
экспрессии гена (gene expression), что дословно можно перевести как
проявление или выражение гена). Каждый ген проявляются главным образом
путем синтеза определенных молекул, которые затем участвуют в некоторых
процессах. При этом, первичной матрицей для такого синтеза является одна
из цепочек ДНК, с которой как бы снимается «реплика».

Первым этапом экспрессии гена является процесс транскрипции —
синтеза молекулы РНК по матрице ДНК. Это происходит за счет
специальных молекулярных машин — РНК-полимераз. Полимеразы — это
класс ферментов, которые осуществляют катализ реакций полимеризации.
ДНК-зависимые РНК-полимеразы — это сложные белковые комплексы,
которые, двигаясь вдоль ДНК, локально расплетают и раскрывают двойную
спираль и синтезируют по одной из двух цепей ДНК комплементарную ей
цепочку молекулы РНК (рисунок 11.6). Молекула РНК состоит из
нуклеотидов, в которых вместо дезоксирибозы находится рибоза. Существует
четыре базовых нуклеотида РНК, которые имеют те же самые основания, что
и нуклеотиды ДНК, за исключением тимина: вместо тимина в РНК
встречается урацил, который, подобно тимину, комплементарен аденину на
молекуле ДНК (или РНК).

Синтезированные одноцепочечные молекулы РНК, как правило,
претерпевают различные типы «редактирования» — так называемого
сплайсинга, и далее играют роль матриц для синтеза белковых молекул.
Главная суть такого редактирования заключается в вырезании определенных
участков из первоначальной молекулы РНК (такие участки называются
интронами) — и последующего «сшивания» остальных кусочков в линейную
цепочку (эти куски называются экзонами). Отредактированная молекула РНК
отправляется в цитозоль клетки, где служит инструкцией — то есть матрицей
— для синтеза белка.

Процесс синтеза белка по молекуле РНК (такие молекулы РНК
называются матричными РНК) называется трансляцией и осуществляется
еще более сложными молекулярными машинами, которые называются
рибосомами. Рибосомы состоят главным образом из молекул РНК (так
называемые рибосомальные РНК) и белков. Синтез молекулы белка по
матрице РНК является уникальным процессом, в котором информация,
содержащаяся в химической структуре РНК, — последовательность осно-
ваний, — транслируется (переводится) в определенную последовательность
аминокислотных остатков полипептидной цепи (рис. 11.7). Таким образом,
информация, содержащаяся в молекуле ДНК в виде последовательности
нуклеотидов, за счет процессов транскрипции и трансляции реализуется в
виде определенных белковых молекул.

strand of DNA

i' end of RNA

Newly made RNA

Free RNA nucleotides

Template strand
of DNA

Рис. 11.6. Схематическое изображение процесса транскрипции. РНК-полимераза —
крупный белковый комплекс — осуществляет синтез РНК по одной из цепей ДНК.
Для разных генов эта цепь может быть разной — а значит и направление движения
полимеразы вдоль ДНК в процессе синтеза может различаться. Источник:
https://leam-biology.com/ap-biology/module-14-from-gene-to-protein/transcription-
tutorial/

Рис. 11.7. Рибосома и трансляция. Источник:
https://en.wikipedia.org/wiki/Translation_(biology)
На клеточном уровне мы чрезвычайно заняты, во-многом благодаря
рибосомам: в «средней» клетке нашего организма содержится около
миллиона рибосом, большинство из которых активны и синтезируют белки
со скоростью ~ 7 аминокислотных остатков в секунду.

Важным участником процесса трансляции являются небольшие
молекулы транспортных РНК, которые выступают в роли переводчиков:
каждая молекула РНК имеет определенный триплет нуклеотидов (антикодон)
с одной стороны и определенную аминокислоту с другой стороны (всего
наши клетки используют двадцать типов аминокислот для синтеза белков).
Антикодон по принципу комплементарности взаимодействует с
определенным триплетом — кодоном — на матричной РНК, после чего
аминокислотный остаток отсоединяется от транспортной РНК и химически
присоединяется к синтезируемой белковой цепи. Соответствие между

определенными триплетами и аминокислотными остатками называется
генетическим кодом. Этот код является универсальным для всех живых
организмов — от бактерий и архей до млекопитающих (важно отметить, что
с точки зрения биологии, такое сопоставление некорректно, так как бактерии

и археи — это названия надцарств живых организмов, а млекопитающие —
класс, принадлежащий к царству животных и надцарству эукариот).

Универсальность генетического кода, по всей видимости, говорит о
наличии последнего общего предка всех существующих сегодня организмов.
Интересно, что современные методы биоинформатики (науки, основанной на
анализе генетических текстов, — последовательностей нуклеотидов в
геномах различных организмов) позволяют выявить наиболее вероятные
особенности среды обитания возможного общего предка: если верить
последним работам, данный гипотетический организм жил при достаточно
высоких температурах более трех миллиардов лет назад.

Генетический код является вырожденным — одну и ту же
аминокислоту могут кодировать несколько триплетов (рисунок 11.8)

ф Stop

Рис. 11.8. Схема генетического
года. Некоторые кодоны кодиру-
ют начало трансляции и ее оста-
новку (отмечены соответствую-
щими символами). По большому
периметру расположены сокра-
щенные названия различных
аминокислот, а радиально распо-
ложены четырехбуквенные на-
звания оснований РНК. Так, ко-
дону 5’-UGG-3’ соответствует
триптофан (Trp (W)). Источник:
http://www.agrilearner.com/genetic-
code/
Важно отметить, что далеко не все гены кодируют белковые молекулы
(примером могут служить гены, которые кодируют те самые рибосомальные
РНК и транспортные РНК, которые не транслируются сами, но принимают
непосредственное участие в процессе трансляции). Интересно отметить, что
для существенной части некодирующих, но все же активно
транскрибируемых молекул РНК, на сегодняшний день функции не
определены: эти некодирующие РНК некоторые биологи в шутку называют
«темной материей» ядра клетки — по аналогии с ситуацией в космологии.

Стоит также отметить, что один ген в некоторых случаях может давать
большое количество различных белков (так называемых изоформ белка). Это
достигается за счет так называемого альтернативного сплайсинга: процесс
редактирования молекул РНК на стадии их подготовки к трансляции может
происходить по-разному, — давая тем самым различные матричные РНК,
которые затем транслируются в различные изоформы белка.

Регуляция генетической экспрессии

В нашем организме есть самые разные типы клеток — от нейронов до
эритроцитов (которые, кстати, вообще лишены ядра), от макрофагов до
кардиомиоцитов, — и все эти клетки различаются главным образом по тому,
какие белки в них работают. Для мышечной клетки, например, необходим
синтез актина и миозина — белков, обеспечивающих сокращение мышечных
волокон, для клетки соединительной ткани — синтез коллагена, который
является ключевым структурным белком внеклеточного матрикса. Для
гепатоцитов — клеток печени — необходим синтез огромного количества
разнообразных ферментов, которые участвуют в метаболизме. Таким образом,
клетки могут управлять тем, какие гены активно экспрессируются, а какие —
«молчат». Такое управление работой генов в молекулярной биологии
называется регуляцией генетической экспрессии, а в основе этой регуляции
лежит взаимодействие между специальными белками и молекулой ДНК.

Мы рассмотрим два типа регуляции генетической экспрессии: на
уровне структурной организации ДНК в ядре клетки и на уровне
взаимодействия определенных белков-регуляторов процесса транскрипции с
функциональными сайтами (то есть участками) молекулы ДНК.

В ДНК человека содержится около 3 миллиардов пар оснований — и
всю эту генетическую информацию почти каждая клетка нашего организма
должна разместить в ядре, которое имеет размер порядка 4—8 микрометров.
Учитывая довольно высокую персистентную длину двойной спирали ДНК,
решить эту задачу можно только при помощи сворачивания ДНК в
определенные компактные структуры, — именно для этой задачи в клетке
существуют специальные положительно заряженные белки — гистоны, на
которые ДНК может наматываться как нитка на катушку. Гистоны с ДНК
формируют так называемые нуклеосомы (рис. 11.9) — небольшие «бусинки»
в которых ДНК делает почти два оборота вокруг центральной области,
состоящей из нескольких гистонов. Таким образом, в ядре ДНК может
находиться в плотной ассоциации с различными белками — и такое
«ядерное» вещество называют хроматином.

В зависимости от типа клетки и ее состояния, различные участки
хроматина могут быть организованы по-разному: области, в которой
плотность нуклеосом высока и практически нет участков ДНК, не
взаимодействующих с гистонами, называют гетерохроматином — такие
области ДНК не могут транскрибироваться, так как в них ДНК практически
недоступна для контакта с другими белками. Области, в которых плотность
нуклеосом не очень высока, называют эухроматином — в нем, как правило,
идут процессы транскрипции, так как ДНК может взаимодействовать с
другими белками — она как бы «открыта» для общения. Таким образом,
одним из способов управления активностью генов является регуляция
локальной организации хроматина: гены, содержащиеся в областях высокой
степени компактизации ДНК — гетерохроматине — как правило «молчат» —
так как в этих местах затруднены процессы считывания ДНК РНК-
полимеразами. Исследования того, как клетка регулирует структурную
организацию хроматина — крайне актуальная и чрезвычайно активно
развивающаяся область молекулярной биологии, которая является
мультидисциплинарной — так как требует привлечения ученых самых
разных специальностей — в том числе физиков, химиков, и математиков.

Рис. 11.9. Схематическое изображение упаковки ДНК в ядре клетки. Источник:
https://en.wikipedia.org/wiki/Euchromatin
В тех областях, где ДНК доступна для взаимодействия с белками,
может запускаться процесс транскрипции, и именно за инициацию этого
процесса отвечают специальные белки, которые называют транскрип-
ционными факторами. Главная задача транскрипционного фактора — найти
определенный участок на молекуле ДНК и прочно связаться с ним, — что в
дальнейшем позволяет запустить или заблокировать сборку молекулярной
машины — РНК-полимеразы. Области связывания транскрипционных
факторов с ДНК находятся в начале генов, — и перед этими белками стоит
нетривиальная задача узнавания нужного сайта из множества возможных.
Биологи, химики и физики говорят о специфичности такого узнавания, — что
означает формирование прочных комплексов только в строго определенных
участках ДНК — ведь транскрипцию нужного гена следует начать именно с
определенного места.

Сегодня мы знаем, что большинство транскрипционных факторов
могут броунировать вдоль ДНК в поисках нужного сайта связывания — то
есть задача поиска нужного участка, по всей видимости, решается не за счет
блуждания в трехмерном пространстве ядра (трехмерная диффузия), а
сводится в том числе к одномерному блужданию (одномерной диффузии
вдоль ДНК) — что существенно ускоряет поиск нужного участка. То, каким
образом достигается специфичность узнавания белками своих сайтов —
отдельная задача, в которой важную роль играют локальные физико-
химические свойства молекулы ДНК — в том числе ее локальная геометрия,
гибкость и подвижность определенных молекулярных групп — свойства,
которые существенным образом зависят от последовательности пар
оснований.

Вопрос для первокурсников:

1. Как информация, содержащаяся в последовательности нуклеотидов
в ДНК, реализуется в клетке при помощи транскрипции и трансляции?

Литература:

1. Альберте, Молекулярная биология клетки.
12. Клеточные мембраны, гомеостаз,
возбудимость

Введение

Когда клетки были только открыты, их осознавали некими
«мешочками», заполненными живой протоплазмой. Впоследствии стало
понятно, что клетка — «элементарная частица» живого, но, в отличие от
элементарных частиц неживой природы, устроена необыкновеннно сложно.
Все организмы состоят из клеток, и новые клетки появляются только из уже
существующих за счет их деления. Под микроскопом видно, что в клетке
происходит постоянное движение протоплазмы, но она не вытекает за
пределы клетки. Для того, чтобы клетка не растекалась по субстрату и не
растворялась в окружающей среде, она должна иметь какую-то границу. Во
второй половине XIX в. выяснилось, что клетка отделена от окружающей
среды некой перепонкой, состоящей из жироподобных веществ, получившей
название клеточной мембраны. У растений, грибов и бактерий поверх
мембраны есть еще одна структура — клеточная стенка, защищающая клетку
от механических повреждений и прочих неблагоприятных факторов
окружающей среды.

Дальнейшие исследования показали, что клеточная мембрана
представляет собой тонкий, толщиной всего в две молекулы, слой из веществ,
относящихся к классу липидов. Такая структура называется липидным
бислоем. В общем случае липидами называют вещества, которые
растворяются в органических растворителях (бензин, хлороформ, спирт и
т.п.) лучше, чем в воде (рис. 12.1). Помимо липидов в клеточную мембрану
входят белки, составляющие не менее 50% от ее массы. Мембранные липиды
относятся к амфифилам, т.е. веществам, молекулы которых имеют две части:
одну — жирную, плохо растворимую в воде, поэтому называемую
гидрофобной, и другую — гидрофильную, несущую заряженные группы
атомов и хорошо растворимую в воде.

Так называемый гидрофобный эффект состоит в том, что энергия
взаимодействия гидрофобных молекул или частей молекул с водой очень
велика, поэтому, если есть возможность, они слипаются, чтобы сделать
область контакта с водой как можно меньше и, тем самым, уменьшить
свободную энергию системы. Это общий термодинамический принцип:
система, имеющая минимальную возможную свободную энергию устойчива,
и, чтобы ее вывести из этого состояния, надо совершить работу. Если взять
очищенные мембранные липиды и смешать их с водой, то из-за
гидрофобного эффекта липидный бислой образуется сам по себе (могут
образовываться и другие структуры, например, мицеллы, липосомы). Это так
называемое явление самосборки, которое характерно для многих
биологических систем. В липидном бислое гидрофобные участки молекул
липидов спрятаны внутри, а гидрофильные контактируют с окружающей
средой. Толщина бислоя из липидов составляет 3—5 нм в зависимости от
условий и состава липидов.

О

I

О=р—о-

Т I

Н3С -С — СИ,

с=о с=о

СН, сн3
сн, сн3
сн? сн3
сн, сн3
сн, сн3
сн, сн3
сн, сн3
СН, сн
СН, сн
СН, СН3
сн, сн,
СН, сн3
СН, сн3
СН- сц-
ен, сн3
сн, сн,
СН, сн3

О	СН,

II	I

О — Р—О —N —СН,

I I
о сн,
I
сн, н о

I I II
Н — С— 1N- с

I I
но- с— н сц-
ен сн.
Л	I

сн сн,

CHj сн,
сн- сн2

СН; СН,

СП, сн,
сн, сн,
сн, сн2

СП, СН,
сн, сн,
сн, сн,
сн,

СИ, сн,
сн, сн,
СН, сн,
СН,

Рис. 12.1. Основные липиды, входящие в состав мембраны клетки животного:
слева глицерофосфолипид, справа сфингомиелин

Клеточная мембрана проницаема для одних веществ и непроницаема
для других. Перенос веществ через мембрану осуществляется разными
способами, которые подразделяются на пассивный и активный транспорт
веществ и ионов через мембрану. Пассивный транспорт обусловлен
диффузией, а активный транспорт происходит с использованием энергии
специальных химических реакций.

Еще во второй половине XIX в. было установлено, что живая клетка
поддерживает на мембране разность электрических потенциалов в 30-90 мВ,
причем внутри она заряжена отрицательно. Эта разность потенциалов,
называемая мембранным (или трансмембранным) потенциалом, исчезает
после гибели клетки. Тогда же было установлено, что солевой состав клетки
сильно отличается от состава внеклеточной среды, например, крови или
морской воды (как правило, внеклеточная среда жидкая). Так же как
мембранный потенциал, эта разница в солевом составе исчезает после гибели
клетки. Таким образом, эти свойства клетки обусловлены процессами,
связанными с ее жизнедеятельностью, и клетка тратит довольно много
энергии на поддержание солевого состава и трансмембранной разности
потенциалов. В стационарном состоянии мембранный потенциал постоянен и
называется потенциалом покоя. У некоторых клеток (нервных, мышечных,
железистых) мембранный потенциал изменяется при поступлении каких-
либо сигналов, например, химических, электрических, механических. В этом
случае говорят о возбужденном состоянии клетки, а изменения мембранного
потенциала называют потенциалом действия. Вопрос о генерации
потенциала действия будет рассмотрен во второй части раздела.

Все клетки отделены от окружающей среды клеточной мембраной. У
бактерий клетки защищены еще внешней по отношению к мембране прочной
оболочкой — клеточной стенкой — из нескольких слоев специального
вещества — пептидогликана. Клетки растений и грибов также имеют
клеточные стенки состоящие из целлюлозы и хитина, соответственно.

Часть 1. Состав, строение и основные физико-химические свойства
мембран

Состав и структура мембран

В 1972 г. С.Дж. Сингер и Г.Дж. Николсон проанализировали
экспериментальные данные и предложили «жидкомозаичную» модель
клеточной мембраны, которая (с небольшими изменениями и дополнениями)
используется и сейчас. В этой модели большинство белков встроены в
бислой таким образом, что гидрофобные части их молекул скрыты от воды
внутри мембраны, а гидрофильные контактируют с водной средой. Мозаика
белков плавает в мембране или по мембране, иногда образуя устойчивые
комплексы.

Белки принято разделять на две группы: белки первой группы
встроены в мембрану и называются интегральными, белки второй группы
связаны только с поверхностью мембраны (или белками первой группы) и
называются периферическими. В результате обобщения экспериментальных
данных установлено, что все мембраны в эукариотических клетках имеют
одну и ту же архитектуру и состоят из следующих четырех основных
компонентов (рис. 12.2).

1.	Липидный бислой, в который погружены или с которым связаны
остальные компоненты мембраны и который представляет собой
барьер для переноса веществ и ионов между клеткой и средой. В
клетках животных липидный бислой образован, в основном,
фосфолипидами и холестерином (у растений клетки содержат другие
стеролы).

2.	Трансмембранные белки (интегральные). Эти белки обеспечивают
перенос веществ, ионов и информации (сигналов) через мембрану.
Положение многих белков не фиксировано, и они свободно
диффундируют в мембране. Содержание белков в мембранах очень
сильно варьирует от клетки к клетке.

3.	Внутренняя белковая сеть (цитоскелет). Эта сеть механически связана
с мембраной, обеспечивает ее большую устойчивость и придает форму
клетке. Так, двояковогнутая форма эритроцита обусловлена тем, что
сеть, образованная белком спектрином, связывает мембранные белки с
актиновыми нитями цитоскелета. Сети других белков используются
для того, чтобы зафиксировать мембранные белки в нужных местах
или переместить, куда требуется.

4.	Маркеры клеточной поверхности. При формировании мембраны ее
фрагменты собираются в эндоплазматическом ретикулуме (ЭР), затем
поступают в аппарат Гольджи, после чего переносятся в
плазматическую мембрану. В ЭР к молекулам мембранных белков и
липидов присоединяются цепочки углеводов — остатков сахаров.
Белки и липиды таким образом превращаются в гликопротеины и
гликолипиды, соответственно, которые служат идентификаторами
индивидуальности клетки. У разных клеток эти идентификаторы
разные.

Рис. 12.2. Схематическое изображение плазматической мембраны эукариотической

клетки.

Мембраны неоднородны по составу: в разных местах их состав может
быть разным. Это приводит к формированию в мембранах микродоменов,
которые содержат белки и липиды, отличающиеся от их окружения. Такие
микродомены получили название липидных рафтов. Их состав
характеризуется большим содержанием холестерина, сфинголипидов и
белков. Взаимодействия между компонентами рафта приводят к образованию
упорядоченной структуры. В связи с различием функций клеточной
мембраны и мембран внутриклеточных структур, их состав различается. Так,
мембрана ЭР содержит много ненасыщенных фосфолипидов и мало
холестерина, из-за чего она более жидкая, чем плазматическая мембрана и,
кроме того, она более тонкая.

Основные функции мембранных белков

Функции мембранных белков очень разнообразны и многочисленны —
практически вся коммуникация клетки с внеклеточной средой, включая
другие клетки, обеспечивается белками. Можно выделить следующие
основные классы мембранных белков (рис. 12.3).

Транспортные белки

Сигнальные (маркеры)

Адгезионные (межклеточн.)

Якорные

Рис. 12.3. Основные типы мембранных белков, связанные с их функцией.

1.	Пассивные транспортные белки. Перенос веществ и ионов через
мембрану очень селективен и обеспечивается специальными белками
— каналами и переносчиками, свойства которых определяют, какие
вещества и ионы могут войти в клетку или выйти из нее. Каждая
стадия переноса представляет собой диффузию соответствующего
вещества или иона, но по специальному пути, обеспечиваемому
белками.
2.	Ферменты. На внутренней поверхности клетки находятся белки,
катализирующие множество химических реакций, необходимых для
обеспечения жизнедеятельности клетки. Некоторые ферменты
осуществляют транспортные функции — активный транспорт,
необходимый для поддержания нужных концентраций веществ и ионов
в клетке.

3.	Рецепторы на поверхности клетки. Специальные мембранные белки
обеспечивают возможность высокочувствительного и очень
избирательного приема химических сигналов из внеклеточной среды.
Существуют также рецепторы, реагирующие на свет, тепло,
механические воздействия.

4.	Поверхностные клеточные маркеры. Они позволяют клеткам
идентифицировать друг друга. Это своего рода ярлыки (или метки),
состоящие из комплексов мембранных белков и их соединений с
молекулами углеводов (сахаров), характерных для данного типа клеток.

5.	Белки межклеточной адгезии. Эти белки обеспечивают контакты
между клетками, которые могут быть временными или
долгоживущими (постоянными).

6.	Соединение с цитоскелетом. Мембранные белки, обеспечивающие
взаимодействие клетки с другими клетками, обычно связаны со
специфической белковой сетью на внутренней стороне мембраны —
цитоскелетом. Эта связь обеспечивается специальными связывающими
(якорными) белками.

7.	Белки, влияющие на структуру мембраны. Мембранные белки могут
иметь разную форму, например, клиновидную. Такие белки будут
влиять на площади поверхности липидных монослоев мембраны по-
разному: у одного площадь увеличится, у другого — уменьшится. Это
приводит к локальному искривлению мембраны. Совокупный эффект
таких белков приводит к формированию мембранных трубок или
складчатых мембранных структур.

Диффузия — основа пассивного транспорта через мембраны

Прохождение многих веществ и ионов через плазматическую
мембрану не требует специальных затрат энергии со стороны клетки. Такой
перенос называется пассивным транспортом и обусловлен диффузией
веществ и ионов через мембрану. В этом случае диффузионные потоки
любых частиц всегда направлены от области с большей их концентрацией к
области с меньшей концентрацией, и перенос осуществляется по нормали к
мембране. Диффузионные потоки частиц через мембрану обусловлены
разностью концентраций по разные стороны мембраны. Основным барьером
для полярных молекул и ионов является гидрофобная часть липидного
бислоя мембраны. Он практически непроницаем для них, а неполярные
частицы проходят через бислой относительно легко, поэтому, если
концентрации неполярных частиц внутри и вне клетки различаются,
возникает поток этих частиц, который приводит к выравниванию
концентраций. Так, через мембрану могут проникать молекулы кислорода и
неполярные органические молекулы, например, стероидные гормоны.
Проницаемость мембраны для полярных молекул зависит от их размеров:
чем больше полярная молекула, тем труднее ей пройти сквозь мембрану.

Роль белков в пассивном транспорте. Облегченная диффузия

Канальные белки образуют в мембране каналы — своего рода
сквозные поры, которые могут быть постоянно открытыми или открываться и
закрываться в зависимости от условий. Внутренность канала гидрофильна (и
может быть заполнена молекулами воды), поэтому полярные частицы легко
проходят через канал, если он открыт.

В отличие от каналов, белки-переносчики специфически связываются с
переносимыми частицами на одной стороне мембраны, а затем, за счет
внутренних изменений структуры белка, переносят их на другую сторону
мембраны. Переносчику все равно, в какую сторону переносить частицу,
поэтому такой перенос определяется разностью концентраций частиц по
разные стороны мембраны, как и в случае простой диффузии.

Как уже было сказано, ионные каналы имеют гидрофильную
(полярную) внутреннюю пору, через которую полярные молекулы или ионы
легко проходят с одной стороны мембраны на другую в соответствии с
перепадом концентраций. Многие каналы могут закрываться и открываться в
ответ на определенные стимулы — электрические или химические. В этом
случае говорят, что канал имеет ворота. Таким образом перенос ионов через
канал определяется тремя условиями: разностью концентраций внутри и вне
клетки (диффузия), электрическим полем в мембране (электрический ток,
или дрейф ионов) и состоянием ворот (открыты или закрыты). Ионные
каналы, как правило, хорошо проницаемы только для ионов одного типа
(абсолютно непроницаемых для других ионов каналов нет).

Осмос обусловливает движение воды через мембрану

Цитоплазма представляет собой водный раствор, содержащий
растворенные вещества, такие как сахара, аминокислоты, белки,
нуклеиновые кислоты и т.д., а также ионы. Раствор, омывающий клетку,
также содержит различные растворенные вещества, но отличается по составу
от цитоплазмы. Часть молекул воды в растворах связывается с молекулами и
ионами. Такая вода называется связанной, ее физико-химические свойства
отличаются от свойств свободной воды. Концентрации свободной воды
снаружи и внутри клетки могут быть разными, а это значит, что разными
будут ее химические потенциалы, и должны возникать диффузионные потоки
воды через мембрану (химический потенциал — это приращение энергии
Гиббса при увеличении числа частиц в системе на единицу). Если эти
концентрации совпадают, то омывающий раствор называют изотоническим
— в этом случае диффузии воды нет. Если концентрация воды в омывающем
растворе выше или ниже концентрации воды в цитоплазме, то раствор
называют гипотоническим или гипертоническим, соответственно. В этих
случаях вода переносится через мембрану посредством диффузии либо в
клетку, либо из клетки. Эту ситуацию характеризуют осмотическим
давлением: в гипертоническом растворе оно высокое, а в гипотоническом —
низкое. Для разбавленных растворов осмотическое давление П определяется
уравнением Вант-Гоффа П = RTc , где с суммарная концентрация
растворенных веществ. Изотонический раствор, в котором концентрация
воды такая же, как в цитоплазме, называют изоосмотическим.

В гипотоническом растворе клетки набухают, раздуваются и могут
лопнуть (клетки растений, грибов и бактерий имеют с наружной стороны
мембраны еще и внешнюю клеточную стенку особого состава, которая
придает им дополнительную устойчивость при набухании). В
гипертоническом растворе клетки сморщиваются, «съеживаются». И то, и
другое для клетки плохо, поэтому клетка использует различные способы
поддержания осмотического давления в приемлемых для нее пределах — это
называется осморегуляцией

Эритроциты человека изменяют форму при изменении тоничности
(концентрации) окружающего раствора: в гипотоническом растворе они
разбухают, превращаются в сфероциты и могут разрушиться (происходит
лизис); в изотоническом растворе потоки воды в клетку и из нее
уравновешены, и эритроциты имеют нормальную форму (нормоциты); в
гипертоническом растворе эритроциты сморщиваются, мембраны образуют
выступы — шипы (такие эритроциты называют эхиноцитами).

Активный транспорт

Диффузия и облегченная диффузия представляют собой пассивный
транспорт, не требующий специальных затрат энергии. Он происходит за
счет уменьшения свободной энергии системы, приводящего к выравниванию
(электро) химических потенциалов всех компонентов во всех частях системы.
Однако клетке необходимо поддерживать вполне определенные
концентрации разных компонентов внутриклеточной среды, в том числе и
ионов. Поэтому у нее есть специальные устройства, позволяющие
переносить вещества и ионы против их диффузионных потоков — системы
активного транспорта. Перенос против диффузионных потоков должен быть
связан с увеличением свободной энергии, поскольку приводит к увеличению
неравномерности распределения веществ или ионов между разными частями
системы. Следовательно, он связан с совершением работы системой, поэтому
активный транспорт происходит с затратой полученной извне энергии. Это
осуществляется за счет сопряжения переноса частиц, например ионов, с
реакцией расщепления АТФ — макроэргического соединения
(универсального «топлива» клетки), сопровождающейся выделением энергии,
которая может быть использована для совершения полезной работы (могут
использоваться и другие макроэргические соединения).

В разных клетках для поддержания неравномерного распределения
каждого типа ионов между клеткой и средой существуют специальные
ферменты активного транспорта. Наиболее часто встречаются системы
активного транспорта ионов Na+, К+, Са2+ и Н+. Устройство и функции
каждого такого фермента зависят от того, какие ионы надо переносить через
мембрану и какие источники энергии — макроэргические молекулы
(макроэрги) — для этого доступны. Работа многих таких ферментов
обратима: они могут синтезировать макроэрги при обратном движении ионов
через них. Обращение играет важнейшую роль в окислительном и
фотофосфорилировании — синтезе АТФ при дыхании и фотосинтезе. Точно
так же с затратой энергии может происходить перенос через мембрану и
других веществ, например, глюкозы. Процесс, в котором энергия выделяется,
называется энергодонорным, а процесс, в котором она потребляется,
называется энергоакцепторным. Сопряжение энергодонорных и
энергоакцепторных процессов может быть как прямым (первичным), так и
опосредованным (вторичным). Примером прямого сопряжения является Na-
насос, имеющийся практически во всех типах эукариотических клеток. Он
позволяет переносить ионы Na+ из клетки в наружную среду, где его
концентрация существенно выше, чем в клетке, и, одновременно, ионы К+ в
противоположном направлении (тоже в сторону возрастания концентрации),
то есть он способствует поддержанию неравномерного распределения этих
ионов между клеткой и средой. Вторичный активный транспорт чаще всего
использует запас энергии, обусловленный неравномерными распределениями
ионов Na+ или Н+ в системе, созданными специальными насосами. Он
используется для переноса, например, таких соединений, как глюкоза и
аминокислоты, внутрь клетки.
Na-насос представляет собой белок-фермент, №,К-АТФазу (относится
к классу Р-АТФаз), состоящий из нескольких белковых субъединиц,
встроенных в мембрану. Это очень древний фермент, и он имеется
практически у всех клеточных форм жизни. За счет расщепления АТФ он
переносит ионы Na+ из клетки в наружную среду, а ионы К+ — в клетку. В
принципе, его работу можно обратить, если создать не физиологические
условия, при которых ионы будут переноситься в противоположных
направлениях — тогда фермент будет синтезировать АТФ из продуктов его
распада. В состоянии покоя в клетке животного более 1/3 всех
энергетических затрат приходится на работу Na—насоса, что говорит о
важности поддержания ионного баланса клетки.

Фермент был открыт в 1957 г. Й.Х. Скоу (Нобелевская премия 1997 г.).
Биохимикам удалось установить, какие промежуточные соединения
образуются ферментом в ходе реакции в искусственных системах. На
основании этих данных (которые могут и не соответствовать реальной
реакции в клеточной мембране) предложен механизм (последовательность
стадий) работы Na-насоса, так называемая схема Олберса-Поста. Сейчас у
биологов она считается общепринятой (хотя были предложены и другие
модели), но с точки зрения биофизики она не является неоспоримо верной.

Модель Олберса-Поста для натриевого насоса

Фермент Иа,К-АТФаза представляет собой димерный комплекс, в
котором каждый мономер состоит из двух основных субъединиц (а и (3) и
нескольких минорных. Основные события происходят на а-субъединице, но
без Р-субъединицы фермент не активен (остальные субъединицы играют
роль в регуляции активности фермента, но без них фермент активен). На
рис. 1.10 схематически представлена последовательность стадий переноса
ионов Na+ и К+, сопряженная с гидролизом макроэргической (богатой
энергией) молекулы АТФ в Na,К—АТФазе (рис. 12.4).

Это грубое приближение, но оно позволяет понять суть процессов,
приводящих к переносу ионов за счет энергодонорной реакции гидролиза
АТФ. (Более подробно см. https://en.wikipedia.org/wiki/Na%2B/K%2B-ATPase).

Каждая стадия связана с изменением конформации белкового
комплекса, составляющего этот фермент.

Частота циклов работы Иа,К-АТФазы достигает 100 Гц, то есть за 1 с
фермент может переносить через мембрану до 300 ионов Na+. Так как за цикл
суммарно происходит перенос одного положительного заряда из цитоплазмы
наружу, то работа №,К-АТФазы сопровождается трансмембранным током,
поэтому говорят, что происходит электрогенный транспорт ионов.
6. Выброс ионов К+ в
цитоплазму. Завершение	2. Фосфорилирование

цикла.	.

4. Связывание 2 К+ снаружи

Рис. 12.4. Возможная последовательность стадий переноса ионов Na+ и К+ в Na,K-
АТФазе по Олберсу-Посту.

Стадия	Что происходит
1	Фермент связывает молекулу АТФ (в комплексе с ионом Mg2+), при этом его сродство на внутренней стороне мембраны сильно возрастает к ионам Na+, и три иона Na+ связываются с ферментом.
2	После этого происходит гидролиз молекулы АТФ, и неорганический фосфат переносится на специальный сайт на молекуле белка (фосфорилирование белка).
3	Фосфорилирование приводит к изменению конформации белка, в результате чего три иона Na+ переносятся на наружную сторону мембраны, сродство к ним резко уменьшается и они могут выйти в наружный раствор по диффузионному механизму.
4	В этой конформации у фосфорилированного фермента резко возрастает сродство к ионам К+, в результате чего два иона К+ связываются с ферментом на наружной стороне мембраны.
5	Связывание двух ионов К+ приводит к дефосфорилированию фермента (отщеплению фосфата) и изменению конформации белка, в результате которого ионы К+ оказываются экспонированными на внутренней стороне мембраны.
6	Связывание АТФ приводит к уменьшению сродства фермента к ионам К+ и увеличению сродства к ионам Na+, в результате чего два иона К+ диффундируют в цитоплазму, а три иона Na+ связываются с ферментом, после чего цикл повторяется.
Сопряженный транспорт глюкозы

Вторичный активный транспорт называют сопряженным, поскольку в
нем перенос нужного соединения, требующий затрат энергии, сопряжен с
переносом ионов, при котором энергия системы уменьшается. Систем
сопряженного транспорта очень много. В качестве примера рассмотрим
сопряженный транспорт глюкозы в клетках млекопитающих (таких систем
тоже много, поэтому рассмотрим некий абстрактный случай). Глюкоза —
очень важное соединение, участвующее во множестве различных
биохимических реакций.

В эпителиальных клетках кишечника концентрация глюкозы может
быть выше, чем в окружающей среде, поэтому этим клеткам требуется
система активного транспорта глюкозы, и она возникла в процессе эволюции.
Эта система использует градиент концентрации Na+, создаваемый Na,K-
АТФазой.

Этот переносчик работает как симпортер, обеспечивая «котранспорт»
глюкозы и ионов натрия.

Электрические характеристики мембран

Значительную часть толщины мембраны занимает слой диэлектрика —
гидрофобных «хвостов» липидных молекул. Так как мембрана разделяет
области пространства с разной плотностью электрических зарядов, то она
представляет собой конденсатор.

Характерные значения удельной емкости клеточной мембраны
составляют Ст «(0,5-И,3) мкФ/см2 (для оценок обычно полагают
Ст=1 мкФ/см2), а удельной электропроводности g0~l(T8 См-см-2 (у
искусственных чистых бислойных липидных мембран g0 ~1 (Г11 См-см-2).

Мембранный потенциал

На клеточной мембране всегда существует некоторая разность
потенциалов, которая обусловлена неравномерным распределением
заряженных частиц между клеткой и средой и приводит к потокам ионов
через мембрану, имеющую конечное сопротивление. Потоки ионов через
мембрану обусловлены двумя основными причинами: диффузией в
соответствии с перепадом концентраций иона на мембране и миграцией в
электрическом поле, создаваемом всеми заряженными частицами. В
равновесии эти потоки компенсируют друг друга. Это условие позволяет
получить соотношение между концентрациями иона снаружи (снар) и внутри
(свнутр) клетки и трансмембранной разностью потенциалов, которая в этом
кТ

случае называется потенциалом Нернста: rN =—1п(снар/свнутр) > где _

постоянная Больцмана, q - заряд иона.
Если бы мембрана была проницаема только для одного иона, то
мембранный потенциал Vm был бы равен потенциалу Нернста VNi для этого
иона и никакого тока через мембрану не было бы (условие равновесия).

Если мембранный потенциал каким-то образом изменить, то возникнет
ток, обусловленный отличием мембранного потенциала от потенциала
Нернста. В присутствии нескольких ионов (в большинстве случаев
достаточно учитывать только ионы натрия, калия и совокупно все остальные
в виде токов утечки) их вклады в ток через мембрану суммируются. В
состоянии покоя проводимости мембраны для ионов постоянны, но при
разных воздействиях могут изменяться, то есть электрическое сопротивление
мембраны в общем случае переменно как для каждого иона, так и в целом.
Эквивалентная электрическая схема мембраны может быть представлена в
виде, изображенном на рис. 12.5.

Рис. 12.5. Эквивалентная электрическая схема клеточной мембраны: Ст — удельная
емкость мембраны; VNa ,VK,VL и INa ,IK,IL — потенциалы Нернста и токи ионов и
утечки, соответственно; прямоугольниками с символами Na, К и L обозначены
электрические сопротивления мембраны для ионов натрия, калия (переменные) и
сопротивление утечки (постоянное). Сверху — внеклеточная среда с потенциалом
(р = 0, снизу — цитоплазма с потенциалом = Vm

Мембранный потенциал (потенциал покоя) у нейронов обычно
принимается равным 70 мВ по абсолютной величине. Это кажется
небольшой величиной, но из-за малой толщины мембраны, которую можно
принять равной 6 нм, напряженность электрического поля в ней оказывается
очень большой. В приближении постоянного поля она составляет примерно:

Ут = 0,07

L 6-10-9

12 кВ мм Ч

Это очень высокая напряженность поля. Так, например, напряженность
поля, при которой происходит электрический пробой, для разных веществ
составляет (кВ-мм-1): сухой воздух — 2, сухое дерево — 4, резина — 20,
стекло и парафин — 25, полиэтилен — 40, слюда — 100. В искусственных
бислойных липидных мембранах (БЛМ) пробой (и разрушение мембраны)
наблюдается обычно в диапазоне разностей потенциалов 150-500 мВ в
зависимости от состава БЛМ и условий эксперимента.

Часть 2. Возбудимость. Потенциал действия и нервный импульс

Всем организмам необходимо поддерживать внутренние параметры в
определенных пределах, чтобы не погибнуть. Это явление называют
гомеостазом. Гомеостаз — это относительное динамическое постоянство
состава и свойств внутренней среды организма. Для его поддержания
необходим сбор и обработка информации о состоянии внутренней среды
организма и параметрах внешней среды, для чего используются сигналы
различной природы. Реакция на внешние сигналы обеспечивается
приемниками сигналов — рецепторами — с последующей передачей
информации от них к исполнительным элементам — эффекторам, которые
осуществляют специфическую реакцию, или ответ на сигнал (стимул).
Рецепторы бывают самые разные, они реагируют, например, на повреждения,
свет, тепло, механическое воздействие, наличие определенных химических
соединений.

Передача сигналов у большинства животных осуществляется с
помощью двух специализированных систем: нервной и гуморальной
(эндокринной). Первая обеспечивает быструю реакцию и, как правило,
кратковременные изменения в состоянии организма. Работа эндокринной
системы обусловлена выделением специальных химических регуляторов,
например, гормонов в кровь, поэтому она работает медленнее, вызывает
отсроченный ответ и, как правило, более длительные изменения состояния
организма. Гормоны распространяются с кровью по всему телу организма. У
позвоночных животных и человека нервная и гуморальная системы очень
тесно связаны и образуют так называемую нейро-гуморальную систему
регуляции.

Все организмы способны реагировать на сигналы, или раздражители,
поступающие как из внешней среды, так и из внутренней среды организма.

Для живых систем (клеток, тканей) характерны два типа состояний:
покой и возбуждение. В состоянии покоя текущие значения физиологических
параметров относительно постоянны и интенсивность обменных процессов
низка. При возбуждении (переходе в деятельное состояние) физиологические
параметры выходят за пределы их изменений в состоянии покоя, и система
осуществляет какие-то действия. Возбудимые клетки животных: нервные,
мышечные, железистые. Пример деятельного состояния — таксисы (у
растений тоже).

Раздражимость — универсальная способность живых систем
переходить из состояния покоя в деятельное состояние. Переход происходит
при действии факторов внешней или внутренней среды организма, которые
называются раздражителями (стимулами). Для перехода существует
пороговый эффект. У животных основную роль в переходе играет нервная
система.

Можно выделить следующие свойства возбудимых тканей:

•	Раздражимость — способность тканей отвечать на действие
раздражителей неспецифической реакцией (изменение обменных
процессов).

•	Возбудимость — способность тканей отвечать на действие
раздражителей специфической реакцией (возбуждением).

•	Возбуждение — переход от состояния покоя к деятельности или
генерация потенциала действия (для мышцы — сокращение).

•	Проводимость — распространение возбуждения по ткани (например,
по нервам).

Сходные системы сигнализации существуют и у растений. Хотя
растения и не имеют специальной нервной системы, у них наблюдается
распространение медленных электрических сигналов, например, при
повреждениях или при механическом раздражении (особенно у плотоядных
растений). Кроме того, у них есть и гуморальная система регуляции. В
настоящем пособии эти системы рассматриваться не будут.

Общие представления о нервной системе

Нервную систему образуют два типа клеток: нервные клетки, или
нейроны — возбудимые клетки, получающие и передающие информацию в
виде электрических сигналов, и глиальные клетки, обеспечивающие
нормальное функционирование нейронов. Нервная система у высших
животных имеет две части: центральную (ЦНС) и периферическую (ПНС). В
состав ЦНС входят головной и спинной мозг. А ПНС — это своего рода
«интерфейс», включающий сенсорные и двигательные компоненты.
Сенсорные рецепторы располагаются на периферических окончаниях
первичных афферентных нейронов, передающих информацию в ЦНС.
Двигательный компонент — соматические и вегетативные мотонейроны.
Соматические мотонейроны соединены со скелетными мышцами,
вегетативные — с гладкими мышцами и железами. Деятельность нервной
системы основана на возбудимости нейронов, которая проявляется в
генерации и передаче другим клеткам электрических сигналов - потенциалов
действия (ПД) — быстрых изменений мембранного потенциала.

Рис. 12.6. Схематическое изображение мультиполярного нейрона.

Нейроны — высокоспециализированные клетки, которые
обеспечивают передачу электрических сигналов в нервной системе (см.
рис. 12.6). Несмотря на специализацию, нейроны построены по общему для
всех клеток плану: они окружены бислойной липидной мембраной, имеют
ядро и другие обычные внутриклеточные структуры, интенсивно питаются и
дышат. Отличительной чертой нейрона является наличие многочисленных
небольших отростков — дендритов, с помощью которых он общается с
соседними нейронами, и одного длинного отростка — аксона, который
соединяет нейрон либо с другим нейроном, либо с вполне определенным
эффектором, например, мышечной клеткой. Контакты между дендритами и
аксонами с другими клетками называбтся синапсами. Они бывают
электрическими и химическими. В электрических синапсах происходит
непосредственная передача электрического сигнала с мембраны одной клетки
на мембрану другой.

В химическом синапсе электрический сигнал сначала преобразуется в
химический — выделение из окончания аксона специального химического
соединения, называемого нейромедиатором (их очень много разных типов),
которое затем вызывает генерацию потенциала действия (ПД) у клетки-
мишени.

Подавляющее большинство синапсов у животных — химические. Их
разнообразие позволяет в разных тканях один и тот же электрический сигнал
интерпретировать по-разному. Схематически электрический и химический
синапсы изображены на рис. 12.7.

Электрический синапс

Рис. 12.7. Схематическое изображение электрического (слева) и химического си-
напсов.

При поступлении сигнала (стимула) мембранный потенциал клетки-
мишени изменяется. Если он уменьшается, то говорят о гиперполяризации
мембраны, а если увеличивается — о деполяризации.

Например, изменение мембранного потенциала с 70 мВ до -65 мВ
соответствует деполяризации, а до -75 мВ — гиперполяризации.
Гиперполяризация не приводит к возбуждению, то есть к генерации ПД, а для
деполяризации существует порог: при его превышении происходит
возбуждение и генерация ПД, называемого также спайком.

Поскольку потенциалы действия неотличимы один от другого, один
ПД не может передать сколько-нибудь сложную информацию: для этого
нужно было бы иметь определенные области в ЦНС для каждого рецептора.
Поэтому информация кодируется в нервной системе по-другому: при
стимуляции нейрона от силы стимула и его длительности зависит частота
спайков. В результате в синаптическом контакте выделяется разное
количество нейромедиатора, вызывающее разную реакцию
постсинаптической клетки.

Феноменология потенциала действия

В этом разделе мы рассмотрим генерацию и передачу сигналов в
нервной системе. Сигналы эти, как было выяснено еще в конце XVIII в.
Л.Гальвани, имеют электрическую природу. Сигналы — потенциалы
действия — генерируются нейронами и распространяются по аксонам.
Аксоны могут объединяться и образовывать нервные волокна (нервы).
Гельмгольц первым измерил скорость распространения сигнала по нерву
лягушки и получил значение около 20 м/с. В настоящее время известно, что
скорость распространения сигнала по нервам составляет от 10 до 100 м/с.
Это на 9-10 порядков быстрее, чем скорость диффузии молекул и примерно
на 7 порядков быстрее скорости переноса с помощью специальных
транспортных белков внутри клетки.

Дальнейшие исследования показали, что аксоны нейронов у
позвоночных животных 1 покрыты изолирующим слоем диэлектрика с
небольшими разрывами. Этот слой диэлектрика — миелина — образуют
специальные вспомогательные клетки: шванновские клетки в ПНС и
олигодендроциты в ЦНС. Участки аксона, покрытые миелином, имеют длину
0,2-2 мм и разделены немиелинизированными участками длиной около
1 мкм, называемыми перехватами Ранвье. Такое устройство аксонов, которые
в этом случае называют миелинизированными, позволяет значительно
увеличить скорость передачи нервного импульса без увеличения диаметра
аксона (этот вопрос будет рассмотрен позже).

Изменение мембранного потенциала можно получить, например,
задавая фиксированную разность потенциалов между электродами внутри и
вне клетки. Однако в живой клетке электродов нет, и разность потенциалов
изменяется за счет открытия или закрытия различных ионных каналов,
которое может быть вызвано воздействием на мембрану клетки различных
факторов: химических, электрических, световых, механических и тепловых.

В первом указанном случае каналы образуются специальными белками
— рецепторами, реагирующими на присутствие вполне определенных
молекул. Во втором случае изменение мембранного потенциала клетки
возможно при близком контакте с клеточной мембраной другой клетки,
мембранный потенциал которой по какой-либо причине изменяется. Эти два
случая соответствуют наличию в нервной системе двух типов синапсов:
химических и электрических.

ПД можно представить себе как быстрый разряд конденсатора,
образованного мембраной и омывающими ее растворами, с последующим его
заряжением за счет системы активного транспорта, восстанавливающей
распределение ионов между клеткой и средой и, тем самым, исходного
значения мембранного потенциала. Типичные значения удельного
сопротивления и удельной емкости мембраны аксона составляют примерно
рт х 104 Ом-см2 * и ст «1 мкФ-см-2. Таким образом, для типичной нервной
клетки диаметром 50 мкм (без учета длинного аксона) сопротивление
мембраны составляет Rm = pm/(^d2^«130 МОм, а ее емкость

1. Не так давно было обнаружено, что у некоторых беспозвоночных аксоны также бывают покрыты

сходным диэлектриком, но устройство перехватов у них обычно иное. Это позволяет увеличить

скорость распространения ПД до 200 м/с (у некоторых креветок).
Ст = nd2ст «80 пФ. Заряд конденсатора, эквивалентного мембране при
мембранном потенциале Vm = 70 мВ, составляет
qm =CmVm ®(80-10~12)-0,07 = 5,6-10~12 Кл, то есть, в пересчете на ионы К+,
примерно 3,5 -107 ионов. Это пренебрежимо мало по сравнению с общим
числом ионов К+в клетке (более 6-1O10). Поэтому перезаряд мембраны при
генерации ПД не вызывает заметных изменений внутриклеточных
концентраций ионов — они изменяются только локально, но в аксонах,
толщина которых существенно меньше диаметра клетки, эти изменения
могут быть значительными. Поскольку толщина мембраны (около 6 нм в
отсутствие миелина) гораздо меньше размеров клетки (около 20 мкм), в
модельном рассмотрении можно считать, что мембрана с омывающими ее
растворами образует плоский конденсатор. Толщина диэлектрика в случае
аксона, покрытого миелином, достигает 2 мкм, что приводит к
существенному (примерно в 300 раз) уменьшению емкости.

Генерация ПД и распространение нервного импульса физически
сходны с релаксационными колебаниями. Простейший пример
релаксационного генератора — цепь с источником ЭДС, резистором,
конденсатором и разрядником. Конденсатор медленно заряжается от
источника через резистор до напряжения пробоя, затем происходит пробой с
быстрым разрядом конденсатора через разрядник, после чего цикл
повторяется. Если напряжение на конденсаторе близко к напряжению пробоя,
то достаточно малой флуктуации, чтобы произошел разряд (релаксация) с
высвобождением большого количества энергии, несравнимого с энергией
флуктуации. «Спусковой» механизм характерен для многих триггерных
систем. В этом генераторе пробой носит «обратимый» характер за счет того,
что он происходит в газовой фазе, в которой быстро восстанавливается
начальное состояния после окончания разряда. Но сам пробой необратим:
если он начался, то остановить его нельзя — это лавинообразный процесс
(как сход лавины в горах), кинетически сходный с цепной реакцией.

Примером релаксационной системы, который всем хорошо знаком,
является смывной бачок в туалете. При слабом надавливании на рукоятку
(кнопку) спуска происходит небольшая утечка воды и рукоятка быстро
возвращается на место. Если же на рукоятку нажать посильнее, система
переходит в «возбужденное» состояние, и высвобождается большое
количество воды (и энергии) — аналог ПД. Затем бачок снова медленно
наполняется водой из водопровода, в котором с помощью насосов,
потребляющих энергию, поддерживается достаточное для этого давление, и
вся система возвращается в исходное состояние. Математически генерация
ПД мало отличается от описанной ситуации.
Для генерации любого релаксационного колебания необходимо
наличие положительной обратной связи в системе: начавшееся изменение
состояния приводит к все большему изменению. Это соответствует тому, что
вместо закона Ома должно выполняться соотношение между силой тока и
напряжением, при котором уменьшение напряжения вызывает увеличение
силы тока. Следовательно, электропроводность должна зависеть от разности
потенциалов, и на вольтамперной характеристике такого устройства должен
быть «падающий» участок, то есть описывающее ее уравнение должно иметь
порядок не ниже 3-го (на кубической параболе появляется такой падающий
участок). Такой падающий участок будет соответствовать отрицательному
дифференциальному сопротивлению Rdif = dV/dl.

Самым простым электронным прибором, имеющим падающий участок
на вольтамперной характеристике, является туннельный диод, который
используется в конструкциях различных генераторов (не только
релаксационных).

Мембрана характеризуется несколькими электрическими параметрами,
но только на проводимость можно как-то быстро повлиять, если число
открытых ионных каналов или их проводимости будут зависеть от
мембранного потенциала.

Для гигантского аксона кальмара, на котором были проведены первые
измерения ПД и для которого давно и хорошо изучены электрические
характеристики, потенциал покоя в среднем можно считать равным -70 мВ.
При указанных выше концентрациях ионов потенциал Нернста для С1“ равен
примерно —69 мВ, то есть он практически совпадает с мембранным, поэтому
в состоянии покоя ионы хлора через мембрану в среднем не переносятся —
«хлорный» ток равен нулю. Это позволяет при расчете действия
электрических стимулов на мембрану учитывать только проницаемость
мембраны для ионов Na+ и К+.

В экспериментах обычно измеряют ПД, генерируемый либо большим
фрагментом аксона одновременно, либо локально, в небольшой области
аксона. В последнем случае ПД распространяется по аксону в виде
уединенной волны — нервного импульса. Во всех случаях закономерности
изменений проводимостей ионных каналов для натрия и калия схожи: форма
ПД для данного нейрона (аксона) не зависит от интенсивности стимула, как
только он превышает критический уровень, и скорость движения импульса
постоянна. Это так называемый ответ «всё или ничего». Однако, если
практически сразу за деполяризующим стимулом на мембрану подать
ингибирующий — гиперполяризущий — стимул, то порог генерации ПД

повышается.
г/

Vm =--------111

ео

Одними из первых генерацию ПД в гигантском аксоне кальмара
исследовали Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли [Hodgkin A.L., Huxley A.F.
Action potentials recorded from inside a nerve fibre. - 1939. Nature. Vol. 144,
no. 3651. P. 710-711], которые в 1952 г. опубликовали статью с подробной
моделью генерации ПД (Нобелевская премия 1963 г.). На основании своих
экспериментальных данных они предположили, что должны быть
специальные «частицы-переносчики», которые обеспечивают перенос ионов
Na+ и К+ через мембрану и активность которых зависит от мембранного
потенциала. Значительно позже было установлено, что такими «частицами»
являются ионные каналы мембран.

Как было уже сказано, для генерации ПД необходимо наличие
падающего участка (с отрицательным дифференциальным сопротивлением)
на вольтамперной характеристике. Вольтамперная характеристика
определяется законом Ома I = У, Zf =У g;K = g^m=Vm/R и уравнением
i	i

Гольдмана-Ходжкина-Катца:

+ pNa^yNa +
^К^2,К + ^Na^2,Na + ^С1^\,С1 _

В состоянии покоя Рк: Р^а‘. Р^а = 1: 0,04: 0,45.

На рис. 12.8 приведены данные Ходжкина и Хаксли по регистрации
ПД и определению вольт-амперной характеристики (ВАХ) аксона кальмара, и
на ВАХ видно, что, действительно, присутствует падающий участок с
отрицательным дифференциальным сопротивлением.

В мембранах немиелинизированных аксонов и в перехватах Ранвье
миелинизированных аксонов обнаруживаются, в основном, ионные каналы
для ионов Na+ и К+, поэтому ионы хлора в генерации ПД практически не
участвуют. Поскольку мембранный потенциал определяется, в основном,
распределением ионов калия, изменение проницаемости для них в
стационарном состоянии (при отсутствии проницаемости для других ионов)
практически ничего не изменит. Следовательно, при деполяризации
мембраны, приводящей к возникновению ПД, должна изменяться
проницаемость для ионов натрия. Но релаксация подразумевает возвращение
к исходному состоянию, поэтому это изменение должно быть временным.

Чтобы мембранный потенциал вернулся к исходному значению, надо
обеспечить отрицательный ток — выход положительных ионов из клетки.
Это можно сделать, открыв дополнительно К-каналы, но потом их надо
закрыть, иначе все ионы калия постепенно выйдут из клетки, и она погибнет.
Эксперименты показали, что так оно и происходит. Затем надо восстановить
ионное равновесие, что обеспечивает Na-насос, использующий энергию
гидролиза АТФ. На рис. 12.9 приведена общая форма ПД.

Рис. 12.8. (а) ПД, зарегистрированный Ходжкиным и Хаксли в 1939 г. (Нобелевская
премия 1963 г.). Внизу — импульсы с интервалом 2 мс. Стрелка указывает на оста-
ток стимулирующего импульса, (б) Вольт-амперная характеристика аксона кальма-
ра имеет N-образный вид с участком, соответствующим отрицательному диффе-
ренциальному сопротивлению.

Рис. 12.9. Потенциал действия. 1 — при потенциале покоя есть только пассивные
утечки, в основном ионов К+; 2 — при достижении деполяризующим стимулом
критического значения мембранный потенциал резко возрастает за счет открывания
Иа+-каналов; 3 — в точке максимума включается инактивация Ыа+-каналов; 4 —
открываются потенциал-зависимые К+-каналы, обеспечивая ток, выходящий из
клетки. Так как К+-каналы закрываются относительно медленно, возникает не-
большая следовая гиперполяризация. После генерации ПД должен распространять-
ся по аксону в нужном направлении.
Генерация ПД обусловлена коррелированным открыванием и
закрыванием ионных каналов для ионов Na+ и К+, которые происходят при
изменениях мембранного потенциала. Последовательность стадий отображена
на рис. 12.9: открывание Na-каналов и быстрый вход ионов Na+ в клетку —
инактивация Na-каналов — отрывание К-каналов и выход ионов К+ из клетки
— медленное закрывание К-каналов. Длительность ПД составляет несколько
миллисекунд. Восстановление ионного баланса и мембранного потенциала
осуществляется Na-насосом, потребляющим энергию АТФ. В течение
нескольких миллисекунд после генерации ПД возбудимость мембраны сильно
снижена и обычная генерация ПД становится невозможной. Этот период
пониженной возбудимости называется периодом рефрактерности.

Для того чтобы ПД мог распространяться, необходимо, чтобы
изменение мембранного потенциала захватывало достаточную область
мембраны аксона и могло приводить к открытию в ней натриевых каналов.

Изменения мембранного потенциала в одном перехвате Ранвье
оказывается достаточно для критической деполяризации мембраны в
соседнем перехвате, в результате чего импульс ПД «перескакивает» от одного
перехвата к другому — это так называемое сальтаторное проведение
нервного импульса. Оно гораздо быстрее тонического (в
немиелинизированных аксонах), поскольку распространение сигнала по
аксоплазме идет, как по проводу, то есть со скоростью света, и не связано с
относительно медленными процессами изменений проницаемости мембраны
на длинных участках аксона между перехватами Ранвье. Схематически
сальтаторное проведение изображено на рис. 12.10.

Рис. 12.10. Схематическое изображение сальтаторного проведения в миелинизиро-
ванном аксоне
На мембране мышечной клетки — постсинаптической мембране —
имеются рецепторы ацетилхолина, которые представляют собой натриевые
каналы. В состоянии покоя они закрыты, но при взаимодействии с
ацетилхолином открываются, и ионы натрия начинают поступать внутрь
мышечной клетки так же, как при генерации ПД в аксоне. Если открывается
достаточное число каналов, деполяризация мембраны может превысить
критическую и произойдет генерация ПД, что приведет, в конце концов, к
сокращению мышечной клетки.

В отличие от натриевых каналов в мембране аксона ацетилхолиновые
рецепторы не инактивируются. Для их закрытия нужно удаление
ацетилхолина. Это осуществляется с помощью одного из самых быстрых
ферментов — ацетилхолинэстеразы.

После расщепления ацетилхолина, каналы закрываются и готовы к
новой порции нейромедиатора. Схематически процесс передачи сигнала на
мышечную клетку приведен на рис. 12.11.

Действие многих нервнопаралитических ядов связано с каким-либо
нарушением функционирования №+-каналов. Так, например, один из
сильнейших ядов, яд рыбы фугу тетродотоксин, блокирует потенциал-
зависимые натриевые каналы. Не менее сильный яд одной из колумбийских
лягушек — батрахотоксин — наоборот, блокирует их инактивацию, в
результате чего ионы натрия постоянно выходят из клетки. Яды,
предназначенные для использования в качестве химического оружия (в том
числе «Новичок»), ингибируют ацетилхолинэстеразу, что также приводит к
невозможности закрытия натриевых каналов мышечных клеток, параличу и
быстрой смерти.

Синапс в покое

Активированный синапс

Потенциал-
зависимый
Са-канал

Терминаль

Ацетилхоли
новый
катионный
канал

Ацетилхолин
Потенциал-
зависимый
Na-канал

Нервный
импульс

Потенциал-за
висимый
Са-канал

Са-зависимый

Саркоплазматический Сарколемма Са-канал
ретикулум

Рис. 12.11. Схематическое изображение передачи сигнала в нервно-
мышечном синапсе.
Литература

1.	Рубин А.Б. Биофизика: в 2 т. Т. 2. Биофизика клеточных процессов. - М.:
Книжный дом «Университет», 2000.

2.	Овчинников Ю.А. Биоорганическая химия. - М.: Просвещение, 1987.

3.	Фундаментальная и клиническая физиология. - Под ред. А.Камкина,
А.Каменского. - М.: Академия, 2004.

4.	Катц Б. Нерв, мышца и синапс. - М.: Мир. 1968.

5.	Яковенко Л.В., Генералов Е.А. Биологические мембраны. Строение и
основные функции. - М.: КМК, 2022. - 90 с. ISBN 978-5-907533-52-3.
13. Биофизика клеточного скелета

Строение и механические свойства основных компонентов цито-
скелета

Как уже обсуждалось в предыдущих лекциях этого курса, живые
клетки устроены сложным образом и содержат внутри себя разнообразные
структуры — органеллы, большая часть из которых окружена мембраной. Но
в клетках присутствуют и структуры, лишенные мембранной оболочки.
Ярким их примером является внутриклеточная сеть белковых нитей —
цитоскелет. Компоненты цитоскелета структурно и функционально
разделяются на три типа: актиновые нити (филаменты), тубулиновые
микротрубочки и промежуточные филаменты. Каждый тип структур образует
внутриклеточную сеть определенной архитектуры. Эти сети довольно тесно
взаимодействуют друг с другом, но для простоты мы рассмотрим их
раздельно.

Актиновые филаменты — это биополимеры, состоящие из глобулярных
(то есть примерно шарообразных, невытянутых) белков. Актины стыкуются
друг с другом «голова-к-хвосту», образуя полярную спиральную нить, в
которой каждый актин взаимодействует с четырьмя другими такими же
белками (рис 13.1). Средний диаметр сечения актинового филамента равен ~7
нм. Длина актиновой нити обычно составляет в клетках от нескольких
десятков нанометров до нескольких микрометров.

Актиновый филамент

мономер

Поперечное
сечение

7 нм

Рис. 13.1. Строение актинового филамента.

Тубулины устроены несколько сложнее. Два различных, но схожих
глобулярных белка, «альфа»- и «бета»- тубулины, достаточно сильно
связываются друг с другом, образуя димеры, которые почти не распадаются в
клетках на отдельные «альфа» и «бета» субъединицы (рис 13.2). Такие
димеры так же, как и актины, стыкуются друг с другом по принципу «голова-
к-хвосту». В результате, они формируют линейные цепочки —
протофиламенты. Как правило, 13 таких протофиламентов составляют полый
цилиндр — микротрубочку. Внешний диаметр микротрубочки составляет
25 нм, а длина достигает в клетках от нескольких десятков нанометров, до
десятков микрометров. В микротрубочке каждый протофиламент взаимо-
действует с двумя соседними. Таким образом, каждый белок тубулина, как и
актин, связан с четырьмя соседними белками. При этом ввиду стыковки
димеров «голова-к-хвосту», микротрубочка подобно актиновому филаменту
приобретает полярность. Ее так называемый «плюс» конец заканчивается
«бета»-тубулином, а «минус»-конец — «альфа»-тубулином.

Гетеродимер

Микротрубочка

а-тубулин
р- тубулин

Протофиламент

Рис. 13.2 строение тубулиновой микротрубочки.

Поперечное
сечение

25 нм

Промежуточные филаменты, в отличие от тубулинов и актинов,
состоят из сильно вытянутых, фибриллярных, белков. Эти белки скручивают-
ся друг с другом, образуя вытянутые димеры, которые далее взаимодейству-
ют по принципу «голова-к-голове», образуя неполярные тетрамеры, которые
в свою очередь сплетаются в веревкообразную структуру с померенным
диаметром около 8-12 нм (рис 13.3). Таким образом, эти структуры
получаются тоньше микротрубочек, но шире актиновых нитей, откуда и их
название «промежуточные». Существует множество подтипов промежуточ-
ных филаментов, таких как десмины, кератины, нейрофиламенты, вимен-
тины, ламины, и др. — всех их объединяет схожее строение и веревкообраз-
ная, гибкая, но прочная структура, которую они формируют в клетках.

Промежуточный филамент

Суперскрученный

димер ^гзгэеггэаз^

Рис. 13.3 строение промежуточного филамента.

Поперечное
сечение

8-12 нм

Строение каждого типа филаментов цитоскелета определяет его
механические свойства. Прочность любого биополимера на разрыв
определяется совокупным количеством и удельной энергией связей, которые
необходимо разорвать для того, чтобы нарушить его целостность. Самым
«хрупким» на разрыв типом цитоскелетных филаментов оказываются
актиновые нити, поскольку для их разрыва достаточно потерять всего 2 связи
между актинами. Для того чтобы разорвать микротрубочку, необходимо
разрушить 13 связей между тубулинами. Совокупная энергия этих связей
больше, чем в случае разрыва двух связей актиновой нити, что придает
микротрубочке сравнительно большую прочность. Но еще прочнее
оказываются промежуточные филаменты, которые образуют множество
боковых связей по всей длине своих фибриллярных субъединиц.

Помимо прочности на разрыв, важнейшей механической
характеристикой филаментов является изгибная жесткость. В механике
изгибная жесткость В для эластического материала определяется согласно
формуле:

В = Е1	(1)

где Е — эффективный модуль Юнга для белкового материала, а I — второй
момент площади сечения, который в свою очередь равен интегралу:

I = ff r2dA	(2)

где г — расстояние от некоторой оси вращения, dA — элемент поверхности.

Как видно из формул (1-2), изгибную жесткость определяют не только
свойства материала, из которого состоит цитоскелетный биополимер, но и
его форма и площадь сечения. При одной и той же площади сечения
биополимера, жесткость на изгиб будет тем больше, чем больше радиус его
сечения. Следовательно, биополимер, построенный из одного и того же
материала, но распределенного по большему радиусу в сечении, пусть даже
за счет наличия полости внутри, будет иметь большую изгибную жесткость,
чем если бы он представлял собой просто сплошной стержень меньшего
радиуса. Именно поэтому микротрубочки, как полые цилиндрические
структуры, обладают самой большой изгибной жесткостью среди всех
цитоскелетных филаментов.

Интересно, что промежуточные филаменты имеют большую гибкость,
чем актиновые филаменты, даже несмотря на несколько больший радиус
поперечного сечения. Это объясняется на порядок меньшим эффективным
модулем Юнга промежуточных белков по сравнению со схожими друг с
другом модулями Юнга актинов и тубулинов. Различия в модулях Юнга
связаны с особенностями строения фибриллярных белков и глобулярных
белков.
На практике для характеристики изгибной жесткости биополимеров,
удобно пользоваться величиной под названием персистентная длина. Она
связана с изгибной жесткостью формулой:

В
кБГ

(3)

где кв — постоянная Больцмана, а Г — температура. Как видно,
персистентная длина показывает, насколько сильно будет изгибаться
биополимер под воздействием энергии тепловых флуктуаций.

Существует несколько полезных способов определения персистентной
длины по данным о многообразии форм, которые принимает биополимер,
находящийся в термодинамическом равновесии в цитоплазме клетки. Один
из них основан на измерении масштаба длины биополимера, на котором он
изгибается на характерный средний угол. Представим себе некоторый
биополимер, который имеет длину L и может быть представлен в виде
некоторой гладкой кривой. Введем параметр s расстояния вдоль этой кривой,
который будет меняться от 0 до L. Проведем касательные в двух точках
полимера, разделенных расстоянием s, и посчитаем косинус угла между
ними. Далее повторим эту процедуру для всех возможных точек,
разделенных расстоянием s. Можно показать, что для большого класса
биополимеров будет выполняться следующий эмпирический закон:

(cos 6) = e~s/p	(4)

где (cos 6) — усредненный по множеству конфигураций биополимера
косинус угла между касательными.

По сути, формула (4) утверждает, что корреляция между касательными
векторами к биополимеру спадает на пространственном масштабе равном
персистентной длине биополимера. Это значит, что если персистентная
длина мала (то есть полимер гибкий), то информация об ориентации
соседнего участка будет «стираться» на коротком пространственном
масштабе; и, наоборот — для полимера с большой персистентной длиной,
зная ориентацию одного его участка, можно предсказать ориентацию участка
на довольно большом расстоянии вдоль него.

Рассмотрим теперь конкретные значения персистентных длин
цитоскелетных биополимеров: для промежуточных филаментов
персистентная длина составляет около 1 мкм, для актиновых нитей — около
10 мкм, а для микротрубочек — порядка 1 мм! Для сравнения, персистентная
длина другого известного биополимера, ДНК, равна всего ~50 нм.

Воспользуемся этими сведениями для получения наглядного
представления об общей структуре филаментов цитоскелета. Для этого
введем еще одно полезное соотношение, которое характеризует связь между
средним квадратом расстояния R между концами биополимера, его длиной L
и его персистентной длиной Р в случае, когда L » Р:

{R2) = 2PL

(5)

Эта формула позволяет оценить средний размер R клубка, который
образует биополимер в растворе, если известны его длина и гибкость.
Например, молекула ДНК, длиной 50 мкм будет формировать в растворе
клубок характерным размером —2.2 мкм; промежуточный филамент той же
длины будет формировать клубок размером 10 мкм. Для актиновых
филаментов и микротрубочек на таком масштабе длины биополимера
формула уже неприменима, поскольку для актинового филамента £ - Р, а для
микротрубочки L « Р. Следовательно, микротрубочка, предоставленная сама
себе в клетке, при отсутствии внешних сил будет оставаться практически
прямой на масштабе размера эукариотической клетки (—50 мкм).

Архитектура сетей, образуемых цитоскелетными филаментами,
напрямую связана с их механическими свойствами. Микротрубочки, как
правило, формируют радиальную сеть длинных практически несгибаемых
магистралей для внутриклеточного транспорта, исходящую из области около
ядра к периферии клетки (рис. 13.4).

Микротрубочки Промежуточные Актиновые

Рис. 13.4 Архитектура сетей основных цитоскелетных филаментов.

Актиновые филаменты, будучи более гибкими, не способны
образовывать магистральные пути, но плотно выстилают приповерхностный
слой клетки в виде гелеподобного материала или плотной разветвленной
сети, придавая механическую жесткость клетке, а также образуют
антипараллельные пуски, расположенные нерадиально. Роль этих пучков
будет пояснена чуть ниже. Промежуточные филаменты выстилают я дерную
оболочку изнутри, а также прошивают клетки, скрепляя их друг с другом в
плотную ткань.
Сборка и разборка компонентов цитоскелета

Несмотря на то, что цитоскелетные филаменты имеют важную
механическую каркасную функцию, их вклад цитоскелета в физиологию
клетки далеко этой функцией не ограничивается. Термин «[цито] скелет»
несколько обманчив, т.к. сети микротрубочек, актиновых нитей, и
промежуточных филаментов не являются статичными образованиями, а
представляют собой динамичные структуры. В особенности, это относится к
актиновым нитям и тубулиновым микротрубочкам. Каждая белковая
субъединица этих цитоскелетных структур, как правило, содержит также
высокоэнергетическую молекулу АТФ или ГТФ. Эти молекулы уже
неоднократно упоминались в этом курсе лекций; напомним, что они имеют в
своем составе три остатка фосфорной кислоты, при отсоединении крайнего
из которых высвобождается существенная энергия, около 10-12 ккал/моль,
которая может быть использована клеткой для преобразования в
механическую работу. Микротрубочки и актиновые филаменты используют
энергии гидролиза молекул ГТФ и АТФ, соответственно, для того чтобы
постоянно пребывать в состоянии сборки и разборки, обновляя и подстраивая
архитектуру своих цитоскелетных сетей под текущие задачи клетки. Почему
эти процессы требуют затрат энергии? Дело в том, что в отсутствии затрат
энергии любой раствор мономеров биополимера, подчиняясь законам
равновесной термодинамики, должен постепенно достигнуть динамического
равновесия, при котором количество субъединиц, присоединяющихся к
концам биополимера и отсоединяющихся от концов биополимера в единицу
времени станет одинаковым. В этих условиях, длина биополимера перестает
меняться, и никакого обновления, и тем более масштабной перестройки сетей
цитоскелета быть не может. Следовательно, для попеременной сборки и
разборки нужна дополнительная энергия.

Как конкретно микротрубочки и актиновые филаменты способны
преобразовывать энергию гидролиза АТФ и ГТФ?

Для ответа на этот вопрос рассмотрим сначала сборку и разборку
актиновых филаментов (рис 13.5).

- конец	"+" - конец

Гидролиз АТФ

Рис. 13.5. Динамика сборки-разборки актиновых филаментов.
Субъединицы актина присутствуют в цитоплазме клетки в очень
высокой концентрации, до 100 мкМ. При этом концентрация молекул АТФ в
цитоплазме также высока и достигает нескольких мМ. В этих условиях
большинство субъединиц актина формируют комплекс с молекулой АТФ.
Назовем такие субъединицы АТФ-актинами. АТФ влияет на конформацию (то
есть на общую форму и положение конкретных аминокислот) актина таким
образом, что АТФ-актины приобретают достаточно большое сродство друг к
другу и равновесие в реакции сборки-разборки актинов смещается в сторону
сборки, что ведет к том, что нить актинового филамента имеет тенденцию
удлиняться. Однако, через некоторое время после встраивания в нить
актинового филамента, молекулы АТФ претерпевают гидролиз, и
субъединицы актина остаются в комплексе с АДФ. АДФ в отличие от АТФ
придает актинам такую конформацию, при которой связи между
субъединицами слабее, а значит, часть актиновой нити, где уже произошел
гидролиз АТФ, становится нестабильна и разбирается. Таким образом,
актиновый филамент может собираться с одного конца, который
преимущественно состоит из АТФ-актинов и разбираться с другого,
преимущественно состоящего из АДФ-актинов. Скорости сборки и разборки
концов актинового филамента зависят от концентрации свободного актина, а
также эффектов дополнительных белков, взаимодействующих с актинами в
клетке.

Микротрубочки собираются из слегка изогнутых димеров тубулинов,
физиологическая концентрация которых в цитоплазме около 15 мкМ. Димеры
тубулина присоединяются к концам микротрубочек в комплексе с
высокоэнергетической молекулой — ГТФ (рис 13.6). При встраивании в тело
микротрубочки изогнутые тубулины выпрямляются, под воздействием
тепловых колебаний и образуют боковые связи, которые удерживают их в
выпрямленном, механически напряженном состоянии. Молекулы ГТФ после
встраивания тубулинов в микротрубочку так же, как и в случае молекул АТФ
в актиновых филаментах, претерпевают гидролиз. При этом баланс скоростей
присоединения тубулинов в единицу времени и вероятности гидролиза ГТФ в
единицу времени таков, что на конце микротрубочки образуется «шапка» из
ГТФ-тубулинов. Остальная часть микротрубочки состоит из ГДФ-тубулинов.
Протофиламенты ГТФ-тубулинов имеют более сильные связи по сравнению с
ГДФ-тубулинами, поэтому микротрубочка находится в состоянии сборки
пока на конце присутствует стабилизирующая «ГТФ-тубулиновая шапка».
При ее потере, за счет, например, случайного гидролиза слишком большого
количества молекул ГТФ, на растущем конце микротрубочки, оставшаяся
часть микротрубочки, состоящая из ГДФ-тубулинов, начинает
деполимеризовать, расслаиваясь на отдельные изогнуты ГДФ-тубулиновые
протофиламенты. Этот процесс может продолжаться до тех пор, пока
микротрубочка случайным образом не присоединит к своему концу
достаточное количество ГТФ-тубул иновых димеров, которые вновь
сформируют стабилизирующую «шапку». В результате, длина каждой
микротрубочки постоянно меняется то за счет удлинения, то за укорочения.
Переключения между фазами сборки и разборки носят случайный характер и
не синхронизованы между разными микротрубочками внутри клетки. Такая
динамика позволяет микротрубочками решать множество важных задач, о
которых будет сказано ниже.

Рис. 13.6. Динамика сборки-разборки микротрубочек.

Подобно актинам и тубулинам, промежуточные филаменты также
могут перестраивать свою сеть, однако это требует химических модификаций
со стороны белков- регуляторов. Ярким примером является полная разборка
сети ламинов при разрушении ядерной оболочки во время клеточного
деления.

Арсенал дополнительных белков цитоскелета

Важно отметить, что в состав цитоскелета наряду с белками тубулина,
актина и строительных блоков промежуточных филаментов (виментинов,
кератинов, десминов и др.) входит еще и широкий арсенал белков-
регуляторов. Эти белки могут связываться с цитоскелетными биополимерами
и менять их свойства. Например, создавать разветвлённую сеть из них,
стабилизировать различные конфигурации этой сети, объединять филаменты
в пучки, дестабилизировать или укреплять их, разделять на фрагменты,
способствовать ускорению или замедлению сборки или разборки, соединять
с различными другими внутриклеточными структурами, а также сочленять
цитоскелетные филаменты разных типов друг с другом.

Так, например, за счет специализированных белков-регуляторов
микротрубочки в клетках, как правило, стабилизированы на своих так
называемых «минус»-концах, в районе немембранной органеллы, которая
называется центросомой. «Плюс»-концы микротрубочек полимеризуются
при содействии дополнительных белков, ускоряющих сборку, удлиняясь от
центросомы к периферии клеток. Таким образом, сеть микротрубочек
приобретает четкую радиальную полярность с «плюс-концами» наружу. Это
имеет ключевое значение для задания направлений внутриклеточного
транспорта, как мы обсудим ниже.

За счет других белков-регуляторов актины образуют многообразие
архитектур в клетках. Например, интенсивно полимеризуются в виде
разветвленной сети, формируют гелеобразные рыхлые структуры, образуют
плотные параллельные или антипараллельные пучки. Эти виды сетей актина
можно считать мета-материалами с различными свойствами, которые
контролируемо используются клеткой в разных ситуациях.

Моторные белки

Возможно, самым интересным примером белков, которые
взаимодействуют с цитоскелетными филаментами, являются так называемые
моторные белки (рис. 13.7).

Домены, связывающиеся с грузами

Миозин

Кинезин

Динеин

Рис. 13.7. Моторные белки.
Среди них кинезины и динеины — это два семейства белков, которые
взаимодействуют с микротрубочками. Миозины — семейство белков,
связывающихся с актиновыми филаментами. Эти белки примечательны тем,
что способны взаимодействовать не только с указанными цитоскелетными
биополимерами, но связываться с высокоэнергетическими молекулами АТФ
и преобразовывать энергию гидролиза АТФ в механическую работу по
перемещению вдоль цитоскелетных биополимеров.

Рассмотрим работу моторных белков на примере перемещения
кинезина вдоль микротрубочки. Кинезин представляет собой димерный
белок, то построен из двух идентичных белковых субъединиц (рис 13.7).
Каждая из которых имеет глобулярный моторный домен, фибриллярный
участок, посредством которого субъединицы сплетаются друг с другом, и
хвостовой домен, необходимый для присоединения к кинезину груза,
например, внутриклеточных органелл или мембранных пузырьков с
полезными веществами, которые необходимо транспортировать внутри
клетки. Механо-химический цикл кинезина можно описать так (рис 13.8).
Пусть в начальный момент времени одна из головок кинезина не связана ни с
АТФ, ни с АДФ. В этом случае она способна достаточно сильно связывать с
микротрубочкой. При связывании этой головкой АТФ, конформация линкера
меняется так, что головка с АТФ становится задней или отстающей, в то
время как передняя головка, связанная с АДФ, слабо связана с
микротрубочкой. Смещение вперед задней головки обусловлено
диссоциацией АДФ и связыванием АТФ в ведущей головке. Связывание АТФ

с этим моторным доменом заставляет линкер, снова переходить от
конформации, обращенной «назад», к конформации, обращенной «вперед».
Этот сдвиг переносит заднюю головку вперед, как только она отделилась от
микротрубочки, став связанной с АДФ.

Рис. 13.8. Механо-химический цикл кинезина.
Особенностью кинезина является перемещение строго в сторону от
«минус»- к «плюс»-концу микротрубочки. Другой моторный белок, динеин,
имеет в целом схожий, хотя и несколько отличный в деталях механо-
химический цикл, но перемещается, наоборот, от «плюс»- к «минус»-концу
микротрубочки, обеспечивая встречный транспорт веществ. Кинезины и
динеины отвечают практически за весь направленный внутриклеточный
транспорт полезных грузов, таких как питательные вещества и органеллы, в
клетках. Этот транспорт гораздо быстрее диффузионного распространения
веществ по клетке, особенно в случае достаточно протяженных клеток, таких
как нейроны, имеющие длинные отростки.

Миозины работают по схожему принципу, но в качестве субстрата
используют не микротрубочку, а актиновую нить.

Моторные белки обладают довольно высоким КПД преобразования
энергии гидролиза АТФ в полезную работу, около 50%. При этом один
моторный белок, в зависимости от типа, может развивать силу от 1 до 7 пН и
скорость перемещения до нескольких микрометров в секунду.

Функции цитоскелета и их взаимосвязь с механическими свойст-
вами

Перечисленные особенности цитоскелета позволяют понять
многообразие его функций в клетках.

Тубулиновые микротрубочки, обладая способностью непрерывно
находиться в состоянии сборки или разборки, «зондируют» внутриклеточной
пространство своими «плюс»-концами, которые полимеризуются их области
центросомы клетки. Благодаря постоянной перестройке тубулинового
цитоскелета, даже при изменении своей формы клетка быстро заполняется
новыми микротрубочками, которые из-за высокой изгибной жесткости
служат магистральными направлениями для внутриклеточного транспорта.
Этот транспорт необходим для обмена веществ — поглощения необходимых
материалов и выделения ненужного содержимого. Кроме того,
микротрубочки организуют внутреннее пространство всей клетки,
позиционируя различные органеллы. Во время клеточного деления, сеть
микротрубочек быстро перестраивается, образую структуру с двумя
полюсами. Микротрубочки осуществляют своими динамичными концами
поиск и захват удвоенных хромосом, а затем распределяют хромосомы по
дочерним клеткам, чтобы каждой новой клетке достался идентичный набор
генетического материала. При этом микротрубочки затрачивают энергии
гидролиза молекул ГТФ для того, чтобы разбираться и развивать при этом
силу для перемещения хромосом. Микротрубочки также обеспечивают
работу жгутиков и ресничек. Располагаясь по периферии вдоль жгутиков и
ресничек, микротрубочки скользят друг относительно друга за счет
моторного белка динеина, что приводит к изгибу жгутика или реснички и
отвечает за его/её биения. Жгутики и реснички обеспечивают функции
многих специализированных клеток, среди которых, например,
сперматозоиды или клетки мерцательного эпителия, выстилающего
дыхательные и пищеварительные пути.

Актины обладают способностью формировать очень разные
структуры. Гелеобразная структура, формируемая актином вблизи клеточной
поверхности, придает клеточной оболочке жесткость. При быстрой
полимеризации актина в виде разветвленной сети у края клетки, актиновые
филаменты, упираясь в мембрану, могут развивать значительную силу для
формирования выпячиваний цитоплазмы (так называемых инвадоподий,
ламеллоподий или филаподий, отличающихся друг от друга своей формой).
Это позволяет клеткам осуществлять направленную миграцию, которая
крайне важна для работы иммунных клеток, клеток соединительной ткани,
формирования нервных контактов. Антипараллельные пучки актиновых
филаментов могут скользить в клетках относительно друг друга за счет
действия миозина, которые позволяет клетке иметь возможность сокращаться
по принципу аналогичному работе мышц. Сходный процесс происходит при
участии актинов и миозинов на финальном этапе клеточного деления, когда
клетка образует перетяжку для разделения дочерних клеток.

Промежуточные филаменты за счет уникальной прочности и гибкости
придают тканям и внутриклеточным структурам механическую жесткость.

Литература

1.	В. Alberts et al., Molecular Biology of the Cell, Sixth edition. New York, NY: W.
W. Norton & Company, 2014.

2.	N. B. Gudimchuk and J. R. McIntosh, “Regulation of microtubule dynamics,
mechanics and function through the growing tip,” Nat Rev Mol Cell Biol, vol. 22,
no. 12, pp. 777-795, Dec. 2021, doi: 10.1038/s41580-021-00399-x.

3.	T. D. Pollard, “Actin and Actin-Binding Proteins,” Cold Spring Harb Perspect
Biol, vol. 8, no. 8, p. a018226, Jan. 2016, doi: 10.1101/cshperspect.a018226.

4.	J. Lowery, E. R. Kuczmarski, H. Herrmann, and R. D. Goldman, “Intermediate
Filaments Play a Pivotal Role in Regulating Cell Architecture and Function*,”
Journal of Biological Chemistry, vol. 290, no. 28, pp. 17145-17153, Jul. 2015,
doi: 10.1074/jbc.R115.640359.
14. Биомеханика

Введение

Биомеханика (в самом широком смысле) — наука о законах
механического движения в живых системах всех масштабов.

В широком смысле к предмету изучения биомеханики можно отнести
несколько уровней организации живых систем. По размерам
(пространственным масштабам) изучаемых систем можно выделить
следующие:

•	Биомеханика локомоций (т.е. целенаправленных перемещений целост-
ного организма в пространстве)

•	Биомеханика систем органов (статика, динамика опорно-
двигательного аппарата, биомеханика мышц, дыхания, кровообраще-
ния и т.д.)

•	Биомеханика биологических тканей (упругие и вязко-упругие свойства
совокупностей клеток и межклеточного вещества, реология крови)

•	Биомеханику отдельных клеток (механика цитоскелета, упругость
мембран и т.д.)

•	Механику био-молекул (молекулярные основы биологической под-
вижности)

Примечание. Отдельно можно выделить пространственно-
временную динамику групп или сообществ организмов (например, поведение
стаи птиц, колония микроорганизмов и т.д.). Движение таких над-
организменных систем имеет как физическую, так и биологическую
специфику. Стайное поведение и координация движений задействует зрение
и другие органы восприятия, и выходит за рамки чисто биомеханического
рассмотрения. Эти задачи выделяют в междисциплинарное направление
«динамика стаи» [https://nplusl.ru/material/2019/09/! 7/metal-birds]

Чаще всего объектом исследования биомеханики является движение
животных и человека, а также механические явления в тканях, органах и
системах. Под механическим движением понимается движение всей
биосистемы в целом, а также движение отдельных частей системы
относительно друг друга — деформация системы.

По функционально-прикладному значению можно выделить
спортивную, клиническую, инженерную, теоретическую биомеханику и т.д.
Все разделы взаимосвязаны и разделение весьма условное. Для детального
научного понимания принципов (целенаправленного) движения живой
материи необходимо не только описывать движения биосистем с точки
зрения законов классической механики (динамики и кинематики), но и
учитывать биологическую специфику, поскольку именно она определяет
причины организации и направленности такого движения.

Биомеханика спорта, например, изучает движение тела человека в
рамках выполнения того или иного упражнения. С одной стороны, важным
показателем является скорость изменения положения центра масс атлета в
пространстве (точнее — в жидкой или газообразной среде) и/или вращения
тела как целого. С другой стороны, эти движения происходят под
воздействием внешних механических сил (тяжести, трения, реакции опоры и
др.) и сил тяги мышц. Последние же управляются центральной нервной
системой и обусловлены физиологическими процессами.

Важно отметить, что не существует каких-либо «особых» законов
физики для живой материи. При изучении биомеханики (по крайней мере,
для надмолекулярных масштабов) используют теоретический аппарат
классической механики: законы сохранения, законы Ньютона, принципы
теории упругости и гидродинамики. Экспериментальные же методы весьма
разнообразны и зависят от поставленных задач, а также размеров изучаемой
системы, но в любом случае используется именно системный подход.

Кроме того, сколь угодно сложная двигательная деятельность
организма (в т.ч. человека) осуществляется в виде отдельных двигательных
действий, которые иерархически организованы из многих взаимосвязанных
физических и физико-химических явлений. Исходной точкой для
возникновения именно биологического движения — предмета изучения
биомеханики — являются молекулярные процессы. Множество
направленных скоординированных процессов (актов молекулярного
движения) складываются в коллективное — сокращение мышцы, например.
Из скоординированного сокращения групп мышц, их механических
взаимодействий с опорно-двигательным аппаратом складывается
двигательная активность конечностей или частей тела, взаимодействие
которых с окружающими организм объектами (средой) складывается
сложные локомоции. Все движения закономерно объединены в целостные
организованные действия. Координация и направленность действий
происходит при участии нервной системы, а в случае высших форм
биологической организации управляется мозгом. Учитывая сложность
биофизических процессов, связанных с двигательной деятельностью, в
биомеханике исследуют и механическую, и биологическую стороны, причём
обязательно в тесной взаимосвязи.

В данном семинаре рассматриваются задачи локомоций, динамики
конечностей тела при различных упражнениях и некоторые вопросы
спортивной биомеханики, а также задачи теории упругости применительно к
биомеханике.
Теория

1.	Динамика и кинематика

Прежде всего, напомним законы Ньютона, законы сохранения, основы
динамики и кинематики вращательного и поступательного движений.

Скорость и ускорение материальной точки

dr
v = —;

dt
dv
aT = dt;

dv

а = ~Г>
dt

v2

an=~R

Угловая скорость и угловое ускорение

dtp	dw

М = ~Г’ Р = ~Г’
dt	dt

v = [о>, г]; ап = g)2R; ат = (3R

Импульс материальной точки р = mv
Импульс системы материальных точек рсист =
Второй закон Ньютона для системы

^Рсист г,

—;— = F

dt

dvc п

m—— = F
dt

где F— результирующая внешних сил.

Импульс замкнутой системы тел сохраняется.

Работы силы на телом (при перемещении тела из точки 1 в 2) и
мощность силы:

Г2	dA

А = F  dr ; Р = — = F  v

J't	at

Работа результирующей внешних сил над телом приводит к изменению
его кинетической энергии:

^к2 — EKi = А

Кинетическая энергия системы:

£*к -	+

2
mvc
~Т~

где Ёк — кинетическая энергия в системе отсчета центра масс (например,
вращательная кинетическая энергия).
Работа консервативных (потенциальных) сил по замкнутой
траектории равна нулю.

Отсюда следует, что можно задать такие силы скалярной функцией
U(x,y,z,)	— потенциальная энергия тела в поле потенциальных

(консервативных) сил. Потенциальная сила и потенциальная энергия
связаны:

F = -VU

«Потенциальная» означает возможность совершения работы над телом
(системой тел) и перехода части энергии U в кинетическую Ек. Работа поля
над телом приводит к уменьшению потенциальной энергии:

•^поля ^1	^2

Полная механическая энергия:

Е = Ек + U

Полная механическая энергия в консервативных системах является
интегралом движения (сохраняется).

Основное уравнение вращательного движения (уравнение моментов):

dL

— = М
dt

где L = ]ш = [г, р] — момент импульса, М = [г, F] — момент
результирующей внешних сил. Также можно записать:

L = L + [rc,p]

где L — момент импульса тела в системе отсчета, связанной с его центром
масс, гс — радиус-вектор центра масс, р — импульс системы.

Момент инерции тела относительно выбранной оси вращения:

N

J =	=

i=i

г2 dm

где Г| — расстояние от i-й точки до оси вращения.

Кинетическая энергия вращательного движения (в СО центра масс):

Теорема Гюйгенса-Штейнера:

J = /о + та2
Моменты инершш тел правильной геометрической формы
(тела считаются однородными; т — масса тела)

Тело	Положение оси вращения	Момент инерции
Полый тонкостенный цилиндр радиусом Я	Ось симметрии	J =mR2
Сплошной цилиндр или диск радиусом R	Ось симметрии	Г*  Е -1СЧ II
Прямойтонкий	Ось перпендикулярна стержню и проходит через его середину	
стержень длиной 1	Ось перпендикулярна стержню и щюходит через его конец	3
Шар радиусом R	Ось проходит через центр шара	J =|гпЯ2 и

2.	Строение и свойства мышц

Мышечную ткань можно подразделить на поперечнополосатую,
гладкую и сердечную. Основными структурными элементами скелетной
мышцы являются поперечнополосатые мышечные волокна и
соединительнотканные элементы, выполняющие в мышце вспомогательные
функции. Структурный элемент мышц — мышечное волокно, каждое из
которых в отдельности способно сокращаться. Каждое волокно имеет
цилиндрическую форму, покрыто оболочкой - сарколеммой и расположено
параллельно другим волокнам. Внутри волокна находится саркоплазма. В
саркоплазме располагаются миофибриллы — нитевидные образование,
состоящее из саркомеров. В состав саркомеров входят толстые миозиновые
нити и тонкие актиновые нити, которые вдвигаются навстречу при
сокращении [Миология: Учеб.пособие // М.Ю. Дюмин - Иваново: ФГБОУ
ВО Ивановская ГСХА, 2019. - 97 с.].

Благодаря своему иерархическому строению, сократительная
активность мышц в целом обладает рядом закономерностей:

•	Мышца производит работу за счет прямого преобразования энергии,
освобожденную вследствие механохимических реакций.

•	Механохимические реакции протекают в большом числе малых обла-
стей, распределенных по всему объему мышцы

•	Источники энергии также распределены по объему мышцы

•	Мышечная ткань анизотропна и обладает упругими (миофибриллы) и
вязкими (структура соединительной ткани) свойствами

•	Сила мышцы пропорциональна площади поперечного сечения -

принцип Вебера
•	Удлинение пропорционально длине мышцы

•	Мощность пропорциональна объему (массе) мышцы.

Скорость сокращения мышцы обратно пропорциональна нагрузке
(уравнение Хилла):

(F + a)v = b(F0 — F)

Здесь Fo — максимальное натяжение в изометрическом режиме, F —
текущая нагрузка, г — скорость сокращения.

Примечание. Были выделены, по меньшей мере, два типа скелетных
мышечных волокон, каждый из которых имел свои физиологические особенности:
медленные (тонические) и быстрые (фазические) волокна. Быстрые волокна
позволяют мышце сокращаться с высокой скоростью. Для тонических мышечных
волокон свойственно медленное сокращение, в то же время энергетические
затраты меньше, чем при сокращении быстрых волокон.

ЗАДАЧА 1. Прыжок в высоту с места (без разбега): спортсмен
преодолевает планку h=1.9 м (это настоящий рекорд, принадлежащий шведу
Руне Альмену, 1980 г.). Оцените развиваемую им силу при отталкивании от
земли, если его рост примерно 1.88 м, масса 83 кг. Считать, высота планки
— это разница между начальным и максимальным положением центра масс
тела.

ОТВЕТ: Используя 2й закон Ньютона, находим, что (h — |) = с 
— 1)’ откУда F = т9 ' (д ~Д~ + 1)’ где с — «глубина» приседания перед
прыжком. Самое сложное — оценить с. Для этого можно использовать
«экспериментальные» данные. Эта величина зависит от длины ног/роста, но
в среднем с = 50 см. Условно можно считать, что для эффективного
отталкивания угол сгиба в коленях не превышает 90° (иначе есть несколько
факторов, замедляющих сокращение мышцы, главным образом, связано с
устройством коленного сустава и квадрицепса). Тогда с = ~^= = -^= ~ 66 см,
у2 2у2

значит F= 2 кН, примерно в 2.5 раза больше, чем вес тела.

ЗАДАЧА 2. Прыжок с шестом с разбега. Центр масс спортсмена в
начале разбега находится на расстоянии 1 м от поверхности земли. Оцените
высоту прыжка, если считать, что шест идеально упругий, а максимальная
скорость спортсмена 10 м/с.

ОТВЕТ: Можно воспользоваться законом сохранения энергии, тогда
h = — = 5.1м.

2Д
Вопросы к задаче 2:

•	Какие модельные приближения были грубыми? Какие силы не были
учтены?

•	Какие факторы могут повлиять на высоту прыжка с шестом? В какую
сторону?

•	Какой материал лучше подойдет для шеста? Почему?

Материал	Плотность (г/см3)	Е (ГПа)	Предел упругости (МПа)
Древесина	1.2	12	160
Дюраль	2.8	74	250
Фибергласс (S-glass)	2.6	70	2500

ЗАДАЧА 3. Про блоху и резилин

Резилин — это эластомерный белок, имеющийся у многих насекомых.
Этот белок позволяет насекомым разных видов прыгать или махать крыльями
более эффективно. Впервые он был обнаружен Торкелем Вайс-Фогом в
суставе крыла саранчи. Модуль Юнга, по данным экспериментов, оказался
равным примерно 1.8 МПа. Эта структура и играет роль согнутого лука или
закрученного жгута катапульты: она способна практически мгновенно
высвободить до 98 процентов накопленной энергии. У блох резилин
выполняет функцию накопителя упругой энергии при прыжке. Перед
прыжком блоха создает упругую деформацию кусочков резилина (общим
объемом 3*107 см3), расположенных у оснований задних конечностей.

Длина тела блохи = 2 мм.
Максимальная длина прыжка = 200
мм. Масса = 0.5 мг. Время
отталкивательной фазы прыжка
=1 мс

Найти:

1.	Начальную скорость прыжка.

2.	Высоту прыжка

3.	Перегрузку, испытываемую
блохой в момент отталкива-
ния.

4.	Развиваемую при прыжке

силу
5.	Оценить удельную мощность.

ОТВЕТ: Горизонтальную координату обозначим X, вертикальную — Y.
Сопротивлением воздуха пренебрегаем. Движение по X — равномерное, по Y
— равноускоренное.

Vx = Vox = V0cosa

Vy = VOy ~ gt = Vosina — gt

По закону сохранения энергии:

V2

V0y	и

= тдН

VnSin2a
Н = -?—----

Исключая время полета, получаем дистанцию прыжка по горизонтали:

V^sin 2 а

S = —------

д

Оптимальный угол прыжка а
дистанции), sin 2а = 1,

45° (соответствует максимальной

V2

'max ~ „
д

Отсюда 70 = -J-gS^x = V9.8 * 0.2 = 1.4 (м/с)

V2

Н = —
4^

1.4 * 1.4 z ч

--------= 0.05 (м) = 5 (см)

4*9.8	J

Ускорение в момент отталкивания а =	= 1400 (м/с2)=142 g

Сила F = та = 0.5 * 10-6 * 1400 = 700 (мкН)

_	. тУ02 0.5*10-6*1.9б	„ _ ,	_ х

Работа сил упругости при толчке А =	=------------=0.5 (мкДж)
По условию, это 98 % от накопленной упругой энергии, т.е. упругая
энергия, накопленная в резилине составляет 0.51 мкДж, что можно округлить
до 0.5 мкДж (пренебречь потерями).

. .	_ Л 0.5*10	гл г- л г\ Ч m л

Мощность Р = - = ю_3 = 0.5 * 10 3 (Вт)

В естественном состоянии резилин представляет гидрогель, поэтому
плотность можно считать близкой к 1 г/см3. Тогда масса резилина трез =
= 0.001 * 3 * 10-7 (кг), а удельная мощность кусочков резилина в ногах
блохи

^Лрез

0.5 * 10"3

0.001 * 3 * 10"7

= 17 * 105 (Вт/кг)

Для

сравнения: максимальная удельная мощность поперечно-

полосатой мышцы примерно равно 2000 Вт/кг. Часто в литературе приводят

отношение мощности к суммарной мышечной массе блохи (полагая, что это

11 % от массы тела) — в таком случае получается

Р

0.11m

0.5 * 10“3

0.11 * 0.5 * 10-6

= 9000 (Вт/кг)

что также превосходит таковой показатель для актин-миозиновых мышц.

ЗАДАЧА 4. На ногу человека массой 65 кг при ходьбе действует сила,
горизонтальная компонента которой зависит от времени, как показано на
графике (ниже). Если горизонтальная скорость центра масс в момент касания
ногой земли составляет 2 м/с, то чему равна эта скорость через 0.4 сек после
касания?

РЕШЕНИЕ. На рисунке представлена сила

= тах = т——
х х dt
Отсюда находим изменение импульса по горизонтальной оси:

^Xl) J" dt
tl

tr = 0.2 (с), t2 = 0.6 (с)

J? Fx dt	o.5 * 0.4 * 200

VX2 =	+ VX1 = 2----------------= 1.38 (м/с)

m	65

ОТВЕТ: 1.38 м/с.

ЗАДАЧА 5. В предыдущей задаче оцените высоту покачиваний центра
масс в вертикальной плоскости.

РЕШЕНИЕ. Пренебрегая кинетической энергией вращательного
движения ног (в системе отсчета центра масс), запишем закон сохранения
энергии

+ тдН2 =	+ тдНг,

откуда h = Н2—Н1 =	= ±22 = 0.107 (м)

ОТВЕТ: И- 10.7 см.

ЗАДАЧА 6. Используя модель «баллистического ходока», оценить
скорость ходьбы человека с длиной ног L = 1 м по поверхности: а) Земли,
б) Луны (масса 1/81 от земной, объем 1/50 от земного).

ОТВЕТ: Поскольку при вращательном движении перевернутого

маятника

V2
т— < тд,
L

Получаем оценку сверху для скорости v < y[gL, т.е. на Земле 3 м/с.
м

Помним, что д = у Тогда на Луне — дл = 0.165 д. Скорость ходьбы

IX

= 1.26 м/с.
Вопросы к задаче 6:

•	Какие эффекты не учитывает модель в задаче?

•	Как оценить затраты энергии на один шаг? На единицу пути?

•	Будет ли быстрее двигаться прыжками?

Для ответа на третий вопрос необходимо вернуться к решению задачи
о прыжках.

Прыгун за один прыжок (с учетом оптимального угла отталкивания

45°) преодолеет	Ц2  5	= —  ° max	„  9
за время прыжка	. -2К°  tjump  9

Отсюда средняя скорость горизонтального перемещения не зависит от g:

V =
к%,ср 2

Но скорость толчка будет определяться работой мышц ног при
приседании и последующем отталкивании:

тУ02

- = F * с

2

Принимая, что тренированный космонавт, как в задаче 1, может
развить силу, равную 2 своим весам на Земле (со скафандром), а приседание
с=0.1 м

тИ02

= 2т^3 * с

К, =	= 1.98 (м/с)
Преимущество есть, если скорость перемещения требуется более
высокая. На малых скоростях космонавты вполне комфортно могут
перемещаться ходьбой.

ЗАДАЧА 7: Какую силу должен развивать бицепс при удерживании
груза 10 кг в одной руке, которая согнута в локте под углом 90 градусов?
Расстояние от центра вращения локтя до места прикрепления мышцы к
лучевой кости 5 см, от точки прикрепления мышцы до центра ладони — 30 см.
плечевая кость вертикальна. Весом предплечья пренебречь.

ОТВЕТ: 686 Н

Вопросы к задаче 7:

•	Как изменится результат, если угол сгиба 120 градусов?

•	Найдите оптимальное положение руки для удержания груза (Иметь в
виду экспериментальный факт: чем меньше натяжение мышцы, тем
дольше развиваемое усилие).

ЗАДАЧА 8: При какой нагрузке мощность сокращения мышцы
максимальна?

ОТВЕТ: Из уравнения Хилла:

(F + a)v = b(F0 — F)

Мощность, развиваемая мышцей

Р = Fv = F

Wo ~ F)
(F + a)

Ищем максимум этой функции:

dP _ b(F2 + 2Fa - Foa)

dF	(F + a)2

F* = у/a(F0 + a) - a

В опытах A.B. Хилла по изучению портняжной мышцы лягушки
а = 0.2 5F0 (для других мышц он может отличаться), тогда F* ~ 0.31FO

Контрольные и домашние задания

ЗАДАЧА 9. У млекопитающих, существование которых зависит от
умения быстро бегать, форма ног такова, что внизу они довольно тонкие, а
мясо и мышцы сосредоточены высоко наверху (вблизи лопаток). Объясните,
почему?
ЗАДАЧА 10. В задаче 6 бицепс сокращается на 1 см в течение
1 секунды. Найти перемещение и путь груза, а также среднюю скорость,
считая сокращение равномерным.

ЗАДАЧА 11. Бег гепарда можно представить как последовательность
прыжков. Гепард может развить скорость до 90 км/ч, за каждый прыжок
преодолевая 2.5 м по горизонтали. Найти высоту каждого такого прыжка.

ЗАДАЧА 12. Двустворчатые моллюски открывает свою раковину с
помощью белка абдуктина, модуль упругости которого примерно равен
2 МПа. Этот белок работает на сжатие: створки, закрываясь (под действием
мышцы-замыкателя), сжимают кусочек абдуктина, а благодаря упругости при
расслаблении мышцы створки размыкаются. Какую потенциальную энергию
запасает кусочек абдуктина толщиной 2 мм и площадью сечения 0,4 см2 при
сжатии его на 1 мм?

Литература:

1.	Р. Александер. Биомеханика. - М.: Мир, 1970.

2.	Д.Д.Донской, В.М.Зациорский. Биомеханика. - М.:Физкультура и спорт,
1979.
15. Фотосинтез

Введение

История изучения фотосинтеза ведет свое начало с августа 1771 г.,
когда английский теолог, философ и натуралист-любитель Джозеф Пристли
(1733—1804) обнаружил, что растения могут "исправлять" свойства воздуха,
меняющего свой состав в результате горения или жизнедеятельности
животных. Пристли показал, что в присутствии растений "испорченный"
воздух снова становится пригодным для горения и поддержания жизни
животных. В ходе дальнейших исследований Ингенгауза, Сенебье, Соссюра,
Буссенго и других ученых было установлено, что при освещении растения
выделяют кислород и поглощают из воздуха углекислый газ. Из углекислого
газа и воды растения синтезируют органические вещества. Этот процесс был
назван фотосинтезом. Роберт Майер, открывший закон сохранения энергии, в
1845 г. высказал предположение, что растения превращают энергию
солнечного света в энергию химических соединений, образующихся при
фотосинтезе. По его словам, "распространяющиеся в пространстве
солнечные лучи "захватываются" и сохраняются для использования в
дальнейшем по мере надобности". Впоследствии русским ученым
К.А. Тимирязевым и другими исследователями было доказано, что
важнейшую роль в использовании растениями энергии солнечного света
играют молекулы хлорофилла, входящего в состав зеленых листьев.
Образующиеся при фотосинтезе углеводы (сахара) используются как
источник энергии и строительный материал для синтеза различных
органических соединений у растений и животных.

лСО2 + лН2О + свет —► лО2 + (СН2О)П

Поглощение СО2
(1011 тонн/год)

В атмосфере содержится 1,2-1015 тонн О2:
время кругооборота О2 составляет 4600 лет.

Рис. 15.1. Общее уравнение фотосинтеза.
Рис. 15.2. Схематическое изображение хлоропласта.

У высших растений процессы фотосинтеза протекают в хлоропластах
— специализированных энергопреобразующих органеллах растительной
клетки. Схематическое изображение хлоропласта показано на рис. 15.2. Под
двойной оболочкой хлоропласта, состоящей из наружной и внутренней
мембран, находятся протяженные мембранные структуры, которые образуют
замкнутые пузырьки, называемые тилакоидами. Мембраны тилакоидов
состоят из двух слоев молекул липидов (жироподобные вещества), в которые
включены макромолекулярные фотосинтетические белковые комплексы. В
хлоропластах высших растений тилакоиды группируются в граны, которые
представляют собой стопки сплюснутых и тесно прижатых друг к другу
тилакоидов, имеющих форму дисков. Продолжением отдельных тилакоидов
гран являются выступающие из них межгранные тилакоиды. Пространство
между оболочкой хлоропласта и тилакоидами называется стромой. В строме
содержатся хлоропластные молекулы РНК, ДНК, рибосомы, крахмальные
зерна, а также многочисленные ферменты, включая те, которые обеспечивают
усвоение СОг растениями.

Световые и темновые стадии фотосинтеза

Согласно современным представлениям, фотосинтез представляет
собой ряд фотофизических и биохимических процессов, в результате которых
растения за счет энергии солнечного света синтезируют углеводы (сахара).
Многочисленные стадии фотосинтеза принято разделять на две большие
группы процессов — световые и темновые стадии фотосинтеза.

Световыми стадиями фотосинтеза принято называть совокупность
процессов, в результате которых за счет энергии света синтезируются
молекулы аденозинтрифосфата (АТР) и происходит образование
восстановленного никотинамидадениндинуклеотид фосфата (NADPH) —
соединения, обладающего высоким восстановительным потенциалом.
Молекулы АТР служат универсальным источником энергии в клетке. Энергия
макроэргических (то есть богатых энергией) фосфатных связей молекулы
АТР, как известно, используется в большинстве биохимических процессов,
потребляющих энергию. Световые стадии фотосинтеза протекают в
тилакоидах, мембраны которых содержат основные компоненты
фотосинтетического аппарата растений — светособирающие пигмент-
белковые и электрон-транспортные комплексы, а также АТР-синтазный
комплекс, который катализирует образование АТР из аденозиндифосфата
(ADP) и неорганического фосфата (Pj). Таким образом, в результате световых
стадий фотосинтеза энергия света, поглощаемого растениями, запасается в
форме макроэргических химических связей молекул АТР и сильного
восстановителя NADPH, которые используются для синтеза углеводов в так
называемых темновых стадиях фотосинтеза.

Темновыми стадиями фотосинтеза называют совокупность
биохимических реакций, в результате которых происходит усвоение
растениями атмосферной углекислоты (СО2) и образование углеводов. Цикл
"темновых" биохимических превращений, приводящих к синтезу
органических соединений из СО2 и воды, по имени авторов, внесших
решающий вклад в исследование этих процессов, называется циклом
Кальвина-Бенсона. В отличие от электронтранспортных и АТРсинтазного
комплексов, которые находятся в тилакоидной мембране, ферменты,
катализирующие "темновые" реакции фотосинтеза, растворены в строме.
При разрушении оболочки хлоропласта эти ферменты вымываются из
стромы, в результате чего хлоропласты теряют способность усваивать
углекислый газ.

В результате превращений ряда органических соединений в цикле
Кальвина-Бенсона из трех молекул СО2 и воды в хлоропластах образуется
молекула глицеральдегид-3-фосфата, имеющего химическую формулу СНО-
СНОН-СН2ОН. При этом в расчете на одну молекулу СО2 , включающуюся в
глицеральдегид-3-фосфат, расходуются три молекулы АТР и две молекулы
NADPH. Для синтеза органических соединений в цикле Кальвина-Бенсона
используется энергия, выделяющаяся в ходе реакции гидролиза
макроэргических фосфатных связей молекул АТР (реакция АТР + Н2О —> ADP
+ Pi), и сильный восстановительный потенциал молекул NADPH. Основная
часть образовавшихся в хлоропласте молекул глицеральдегид-3-фосфата
поступает в цитозоль растительной клетки, где превращается во фруктозо-6-
фосфат и глюкозо-6-фосфат, которые в ходе дальнейших превращений
образуют сахарофосфат — предшественник сахарозы. Из оставшихся в
хлоропласте молекул глицеральдегид-3-фосфата синтезируется крахмал.

Преобразование энергии в фотореакционных центрах

Фотосинтетические энергопреобразующие комплексы растений,
водорослей и фотосинтезирующих бактерий хорошо изучены. Установлены
химический состав и пространственное строение энергопреобразующих
белковых комплексов, выяснена последовательность процессов
трансформации энергии. Несмотря на различия в составе и молекулярном
строении фотосинтетического аппарата, существуют общие закономерности
процессов трансформации энергии в фотореакционных центрах всех
фотосинтезирующих организмов. Во всех фотосинтетических системах, как
растительного, так и бактериального происхождения, единым структурно-
функциональным звеном фотосинтетического аппарата является
фотосистема, которая включает в себя светособирающую антенну,
фотохимический реакционный центр и связанные с ним молекулы —
переносчики электрона. Рассмотрим сначала общие принципы превращения
энергии солнечного света, характерные для всех фотосинтетических систем,
а затем более детально проиллюстрируем их на примере функционирования
фотореакционных центров и цепи электронного транспорта хлоропластов
высших растений.

Светособирающая антенна (поглощение света, миграция энергии)

Самым первым элементарным актом фотосинтеза является поглощение
света молекулами хлорофилла или вспомогательных пигментов, входящих в
состав специального пигмент-белкового комплекса, называемого
светособирающей антенной. Светособирающая антенна представляет собой
макромолекулярный пигмент-белковый комплекс, предназначенный для
эффективного улавливания света. Этот комплекс содержит большое число (до
нескольких сотен) молекул хлорофилла и вспомогательных пигментов
(каротиноиды и др. пигменты), поглощающих солнечный свет. Ансамбль
пигментов, входящих в светособирающую антенну, эффективно улавливает
солнечный свет и направляет его энергию к фотореакционному центру. На
ярком солнечном свету отдельная молекула хлорофилла поглощает кванты
света сравнительно редко, в среднем не чаще, чем 10 раз в секунду. Однако на
один фотореакционный центр приходится большое количество молекул
хлорофилла (200—400), что обеспечивает достаточно частое срабатывание
реакционного центра даже при относительно слабой интенсивности света,
падающего на лист в условиях затенения растения. Тенелюбивые растения
имеют, как правило, больший размер светособирающей антенны по
сравнению с растениями, произрастающими в условиях высокой
освещенности.

У растений основными светособирающими пигментами служат
молекулы хлорофилла а и хлорофилла Ь, поглощающие видимый свет с
длиной волны Л ~ 680—730 нм. Изолированные молекулы хлорофилла
поглощают свет лишь в двух сравнительно узких полосах солнечного спектра
— при Л ~ 660—680 нм (красный свет) и Л ~ 430—450 нм (ультрафиолетовый
свет). Однако присутствие в светособирающей антенне вспомогательных
пигментов (каротиноиды, фикоэритрины, фикобилины, фикоцианины),
поглощающих свет других длин волн, существенно расширяет спектральный
диапазон солнечного света, используемого растениями и другими
фотосинтетическими организмами.

Поглощение кванта света молекулой хлорофилла (Chi) или
вспомогательного пигмента приводит к ее возбуждению (переход электрона
на более высокий энергетический уровень):

Chi + hv Chi*.

Энергия возбужденной молекулы хлорофилла Chi* передается
безизлучательно соседним пигментам, которые, в свою очередь, могут
передать ее другим молекулам светособирающей антенны:

Chi* + Chi Chi + Chi*.

Таким образом, энергия кванта света, поглощенного одной молекулой
хлорофилла, эффективно мигрирует по пигментной матрице до тех пор, пока
в конечном итоге возбуждение не попадет на фотореакционный центр Р.
Подобно тому, как жидкость стекает со стенок широкой воронки к ее узкому
горлышку, к фотореакционному центру Р направляется энергия света,
поглощаемого многими молекулами светособирающих пигментов,
(схематическое изображение этого процесса показано на рис. 15.3):

Chi* + Р Chi + Р*.

Заметим, что характерные времена жизни возбужденных состояний
молекул хлорофилла и других пигментов очень малы, t ~ 1О-10-10”9 с.
Существует вероятность того, что на пути к фотореакционному центру Р
энергия таких короткоживущих возбужденных состояний пигментов может
бесполезно потеряться — рассеяться в тепло или выделиться в виде кванта
света (явление флуоресценции). В действительности, однако, эффективность
миграции энергии к фотосинтетическому реакционному центру очень велика
потому, что светособирающая антенна представляет собой упорядоченную
структуру, обеспечивающую очень хорошее взаимодействие пигментов друг с
другом. Благодаря этому в светособирающей антенне происходит очень
быстрый перенос энергии к фотореакционному центру Р, за счет чего
вероятность потери энергии возбуждения в тепло или излучение
сравнительно мала. Среднее время "перескока" энергии возбуждения от
одного пигмента к другому, как правило, составляет
t ~ 10-12—10-11 с. Общее время миграции возбуждения к реакционному центру
обычно не превышает 10-10—10-9 с.

Фотореакционный центр (перенос электрона, стабилизация разде-
ленных зарядов)

Фотохимический реакционный центр Р представляет собой особую
пару (димер) молекул хлорофилла, которые играют роль ловушки энергии
возбуждения, блуждающего по пигментной матрице светособирающей
антенны (рис. 15.3). В результате очень быстрого (< 10-12 с) переноса
электрона от возбужденного центра Р* к молекуле первичного акцептора
электрона А реализуется второй принципиально важный этап преобразования
солнечной энергии при фотосинтезе — разделение зарядов в реакционном

центре. При этом образуются сильный восстановитель А (донор электрона)
и сильный окислитель Р+ (акцептор электрона).

Рис. 15.3. Схема миграции энергии по пиг-
ментной матрице светособирающей антенны
к фотореакционному центру Р.

Молекулы Р+ и А-
расположены в мембране
асимметрично: в хлоропластах
Р+ находится ближе к
поверхности	мембраны,

обращенной внутрь тилакоида,
а акцептор А“ расположен
ближе к внешней стороне. В
результате индуцированного
светом переноса зарядов
поперек мембраны возникает

разность

электрических

потенциалов Л<р = <pjn - <pout > 0.
Это явление подобно

генерации разности электри-
ческих потенциалов в обычном фотоэлементе. Эффективность работы
фотосинтетических реакционных центров очень высокая: КПД разделения
зарядов в активных фотосинтетических реакционных центрах, как правило,
составляет не менее 90-95%.

Как обеспечивается столь высокая эффективность преобразования
энергии в реакционных центрах? Почему электрон от отрицательно
заряженного акцептора А” не возвращается к положительно заряженному
центру Р+? Стабилизация разделенных зарядов обусловлена, главным
образом, за счет вторичных реакций электронного транспорта. От
восстановленного первичного акцептора А” электрон очень быстро (за время
~10‘12-10‘п с) уходит на вторичный акцептор электрона В:

D(P+A )B -► D(P+A)B".

При этом электрон не только удаляется от положительно заряженного
центра Р+, но и заметно снижается энергия всей системы (рис. 15.4). Поэтому
для переноса электрона в обратном направлении ему потребуется преодолеть
достаточно высокий энергетический барьер (0,3-0,5 эВ). Это означает, что
для возвращения электрона назад (от В" к А) ему потребовалось бы гораздо
больше времени, чем для перехода от А” к В. Поэтому после переноса
электрона на вторичный акцептор В существенно уменьшается вероятность
его возвращения назад и рекомбинации с положительно заряженной
"дыркой" Р+.

DP*AB

' . РР*А В

s g|	Р~РАВ

О £ 

Акцептор

Рис. 15.4. Схематическая диаграмма изменений энергии, происходящих после воз-
буждения фотосистемы и первичных реакций переноса электрона.

Другим фактором, способствующим стабилизации разделенных
зарядов, служит быстрая нейтрализация окисленного центра Р+ за счет
электрона, поступающего к нему от вторичного донора электрона D:

D (Р+А)В“	D+(PA)B".
Теперь реакционный центр готов к повторному срабатыванию. Такова
в общих чертах последовательность событий, происходящих в
фотореакционных центрах всех фотосинтезирующих систем.

Цепь электронного транспорта

В хлоропластах высших растений имеются две фотосистемы —
фотосистема 1 (ФС1) и фотосистема 2 (ФС2), различающиеся по составу
белков, пигментов и оптическим свойствам. Светособирающая антенна ФС1
поглощает свет с длиной волны 2 < 700-730 нм, а ФС2 — свет с 2 < 680-
700 нм. Индуцированное светом окисление реакционных центров ФС1 и ФС2
сопровождается их обесцвечиванием, которое характеризуется изменениями
их спектров поглощения при 2 ~ 700 и 680 нм. В соответствии с их
оптическими характеристиками реакционные центры ФС1 и ФС2 получили
название Р7оо и Р680.

Рис. 15.5. Схема строения цепи электронного транспорта хлоропластов и АТР-
синтазного комплекса (см. подробнее [5,7]).

ФС1 и ФС2 связаны между собой посредством цепи электронных
переносчиков (рис. 15.5). ФС2 является источником электронов для ФС1.
Инициируемое светом разделение зарядов в фотореакционных центрах Р7Оо и
Р680 обеспечивает перенос электрона от воды, разлагаемой в ФС2, к
конечному акцептору электрона — молекуле NADP+. Цепь электронного
транспорта (ЦЭТ), соединяющая ФС2 и ФС1, в качестве переносчиков
электрона включает в себя молекулы пластохинона, отдельный электрон-
транспортный белковый комплекс (так называемый цитохромный b/f-
комплекс) и водорастворимый белок пластоцианин (Рс). Схема,
иллюстрирующая взаимное расположение электрон-транспортных
комплексов в тилакоидной мембране и путь переноса электрона от воды к

NADP +, показана на рис. 15.6.

2Н

Рис. 15.6. Окислительно-восстановительные превращения пластохинона и предпо-
лагаемая схема его расположения в мембране.

В ФС2 от возбужденного центра Peso* электрон переносится сначала на
первичный акцептор (Phe), а затем на молекулу пластохинона QA, прочно
связанную с одним из белков ФС2,

Y Р680* (Phe) QaQb YP680+(Phe )QAQB^ Y P680+(Phe)QA QB

вторичного хинона QB, а Рб8о+ получает электрон от вторичного донора
электрона Y: От восстановленного первичного хинона QA” электрон
переносится на соседнюю молекулу

Y Р680+ (Phe)QA QB Y+P680(Phe)QAQB“.

Окисленный центр Р680+ является очень сильным окислителем,
способным обеспечить разложение воды с помощью входящего в ФС2
водорасщепляющего комплекса (ВРК). В активном центре ВРК имеется
четыре иона марганца (Мп2+), которые по очереди служат донорами
электрона для Peso- Отдавая электроны окисленному центру Р680+
(переносчик —	Y), ионы марганца становятся "накопителями"

положительных зарядов. В результате последовательного четырехкратного
срабатывания реакционного центра Р68о в ВРК накапливаются четыре
сильных окислительных эквивалента (или, как говорят, четыре "дырки") в
форме окисленных ионов марганца, которые катализируют реакцию
разложения воды: 2Н2О —> О2 + 4е~ + 4Н+.
После двукратного срабатывания реакционного центра ФС2 молекула
пластохинона QB принимает два электрона: QB + 2е~ —> QB”. Отрицательно
заряженная молекула QB” обладает высоким сродством к ионам водорода,
которые она захватывает из внешнего (стромального) пространства. После
протонирования QB“ образуется электрически нейтральная молекула QH2,
называемая пластохинолом (QB- + 2Н+ —> QH2). Пластохинол выполняет роль
подвижного переносчика двух электронов и двух протонов: молекула QH2
покидает ФС2, диффундирует внутри тилакоидной мембраны, а затем
окисляется цитохромным /^комплексом. При этом два электрона от
молекулы QH2 поступают к /?//-комплексу, а два протона выделяются внутрь
тилакоида.

Цитохромный /^комплекс служит донором электрона для
пластоцианина (Рс) — сравнительно небольшого водорастворимого белка, у
которого в состав активного центра входит ион меди (реакции
восстановления и окисления пластоцианина сопровождаются изменениями
валентности иона меди: Си2+ + е~ —> Си+). Пластоцианин выполняет роль
связующего звена между ///-комплексом и ФС1. Молекула пластоцианина
быстро перемещается внутри тилакоида, обеспечивая перенос электрона от
b/f-комплекса к ФС1. От восстановленного пластоцианина электрон
поступает непосредственно к окисленным реакционным центрам ФС1
(рис. 15.5). Таким образом, в результате совместного действия ФС1 и ФС2
два электрона от молекулы воды, разлагаемой в ФС2, через цепь
электронного транспорта переносятся в конечном итоге на молекулу NADP+,
обеспечивая образование сильного восстановителя NADPH.

Зачем хлоропластам нужны две фотосистемы? Известно, что
фотосинтезирующие бактерии, которые используют в качестве донора
электрона для восстановления окисленных реакционных центров различные
органические и неорганические соединения (например, H2S), успешно
функционируют с одной фотосистемой. Ответ на вопрос о происхождении
двух фотосистем заключается в том, что энергии одного кванта видимого
света недостаточно для того, чтобы обеспечить разложение воды и
эффективное прохождение электроном всего пути по цепи молекул-
переносчиков от воды к NADP+. Приблизительно 3 миллиарда лет назад на
Земле появились цианобактерии, которые приобрели способность
использовать воду в качестве источника электронов для восстановления
углекислоты. В настоящее время считается, что ФС1 ведет свое
происхождение от зеленых бактерий, а ФС2 — от пурпурных бактерий.
После того, как в ходе эволюционного процесса ФС2 "включилась" в единую
цепь переноса электрона вместе с ФС1, стало возможным решить
энергетическую проблему — преодолеть довольно большую разницу в
окислительно-восстановительных потенциалах пар кислород/вода и
NADP+/NADPH. Возникновение фотосинтезирующих организмов,
способных окислять воду, явилось одним из важнейших этапов развития
живой природы на Земле. Во-первых, водоросли и зеленые растения,
"научившись" окислять воду, овладели неисчерпаемым источником
электронов для восстановления NADP+. Во-вторых, разлагая воду, они
наполнили атмосферу Земли молекулярным кислородом, создав, таким
образом, благоприятные условия для бурного эволюционного развития
организмов, энергетика которых связана с аэробным дыханием.

Трансмембранный перенос протонов и синтез АТР

Перенос электрона по цепи электронного транспорта, как правило,
сопровождается понижением энергии. Этот процесс можно уподобить
самопроизвольному движению тела по наклонной плоскости. Уменьшение
уровня энергии электрона в ходе его движения вдоль ЦЭТ вовсе не означает,
однако, что перенос электрона всегда является энергетически бесполезным
процессом. В нормальных условиях функционирования хлоропластов
большая часть энергии, выделяющейся в ходе электронного транспорта, не
пропадает бесполезно, а используется для работы специального
энергопреобразующего комплекса, называемого ATP-синтазой. Этот
комплекс катализирует энергетически невыгодный процесс образования АТР
из ADP и неорганического фосфата Р, (реакция ADP + Pj —> АТР + Н2О).
Принято говорить, что энергодонорные процессы электронного транспорта
сопряжены с энергоакцепторными процессами синтеза АТР.

Рис. 15.7. Схематическое строение АТР-
синтазы (см. подробнее [6,7]).

Важнейшую роль в
обеспечении энергетического
сопряжения в мембранах
тилакоидов, как и во всех
остальных энергопреобразую-
щих органеллах (митохондрии,
хроматофоры фотосинтезиру-
ющих бактерий), играют
процессы протонного транс-
порта. Синтез АТР тесно связан
с переносом через АТР-синтазу
не менее четырех протонов из
тилакоидов в строму. Этот
процесс, требующий энергии,
становится возможным потому,
что вследствие асимметрии-
ного расположения электронных переносчиков в мембране освещение
хлоропластов приводит к накоплению избыточного количества протонов
внутри тилакоида: ионы водорода поглощаются снаружи на стадиях
восстановления NADP+ и образования пластохинола и выделяются внутри
тилакоидов на стадиях разложения воды и окисления пластохинола (рис.
15.5). Концентрация ионов водорода внутри тилакоидов возрастает в 100—
1000 раз.

Таким образом, в результате описанных выше реакций электронного
транспорта, инициированных действием света, энергия поглощенного
солнечного света запасется в форме так называемого «протонного
потенциала» — трансмембранной разности электрохимических потенциалов
ионов водорода. ATP-синтазный комплекс, встроенный в тилакоидную
мембрану (рис. 15.7), является макромолекулярной машиной, которая
использует энергию «протонного потенциала» для синтеза АТР из ADP и Pj.
(см. подробнее [6,7]). Как было сказано выше, высокоэнергетические
молекулы АТР и NADPH, образовавшиеся в результате световых стадий
фотосинтеза, используются в качестве источника энергии в темновых
стадиях фотосинтеза (реакции цикла Кальвина-Бенсона), в ходе которых
происходит фиксация углекислоты и синтез органических соединений. Всю
совокупность процессов, включающих «световые» и «темновые» стадии
преобразования энергии солнечного света и синтез углеводов, называют
фотосинтезом.

Литература

1.	Албертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная био-
логия клетки. Т. 1. М.: Мир, 1994. 2-е изд.

2.	Николс Д.Д. Биоэнергетика. Введение в хемиосмотическую теорию. М.:
Мир, 1985.

3.	Кукушкин А.К., Тихонов А.Н., Лекции по биофизике фотосинтеза растений.
М.: Изд-во МГУ, 1988.

4.	Скулачев В.П. Энергетика биологических мембран. М.: Наука, 1989.

5.	Тихонов А.Н. «Трансформация энергии в хлоропластах - энергопреобра-
зующих органеллах живой клетки». - Соросовский Образовательный Жур-
нал, 1996, № 4, стр.24-32.

6.	Тихонов А.Н. «Молекулярные преобразователи энергии в живой клетке». -
Соросовский Образовательный Журнал, 1997, № 7, стр. 10-17.

7.	Тихонов А.Н. «Молекулярные моторы. Часть 1. Вращающиеся моторы жи-
вой клетки». - Соросовский Образовательный Журнал, 1999, № 6, стр.8-16.

8.	Тихонов А.Н. «Регуляция световых и темновых стадий фотосинтеза». - Со-
росовский Образовательный Журнал, 1999, № 11, стр.8-15.
16. Биофизические основы нанобиотехнологий,
биоинженерия

«Жизнь — это особая коллоидная система,
это особое царство природных вод»

В.И. Вернадский

Введение

Особенности структурной организации живых систем на микронном и
субмикронном уровнях (нано-уровне), высокая степень компартментали-
зации биологических мембранных структур, дисперсность молекулярных и
надмолекулярных компонентов живых систем, находящихся в дисперсионной
водной фазе (в биологических жидких водных средах), обусловливают
необходимость рассматривать живые системы как гетерофазные дисперсные
коллоидные системы. Принципиально важным моментом для понимания
структурно-функциональных взаимосвязей в живых системах и
особенностей их свойств и физико-химических механизмов протекающих в
них процессов является осознание того, что живые системы по своей сути —
это определенный и, в значительной степени, уникальный класс
гетерофазных дисперсных коллоидных систем включая наносистемы.
Впервые со всей определенностью это заявил крупнейший ученый 20 века
В.И. Вернадский.

В настоящее время в практическом плане перед человечеством стоят
проблемы не просто устойчивого развития, а буквально выживания в
будущем. Перспективы решения ряда таких проблем непосредственно
связаны с нанобиотехнологией и биоинженерией.

Среди этих проблем важное место занимают проблемы, связанные с
изменениями климата, решение которых требуют как минимум снижения
выбросов в атмосферу СОг и как максимум контроль его содержания в
различных природных средах. Нужен срочный переход на альтернативные
виды энергии, нужны возобновляемые носители энергии, обеспечивающие
круговорот углерода и его поглощение в природе. Проблемы сохранения и
улучшения экологии требуют уменьшения загрязнения окружающей среды
продуктами жизнедеятельности человека и перехода на биоразлагаемые и
возобновляемые материалы, разработки эффективных методов и средств
очистки водных и воздушных сред, а также почвы от загрязнений,
значительная часть которых является коллоидной по своей природе. Решения
этих проблем могут включать разработку эффективных технологий
получения возобновляемых СС^-нейтральных материалов из растительного
сырья. Растения самопроизвольно поглощают углекислоту из воздуха и
превращают в лигноцеллюлозу. Проблемы создания эффективных
технологий получения полезных продуктов из возобновляемого
лигноцеллюлозного сырья заключаются, по сути, в эффективном решении
задач превращения водонерастворимой конденсированной полимерной
композитной супрамолекулярной био-структуры (лигноцеллюлозы) в
коллоидные растворы ее компонентов в водной фазе, с последующим
получением необходимых продуктов.

Перспективы развития здравоохранения связаны с созданием новых
максимально эффективных подходов к диагностике и лекарственной
терапии, борьбе с инфекциями и различными патологиями. Эти подходы в
значительной степени основаны на методах наномедицины, в которой
первостепенную роль играют биосовместимые функциональные коллоидные
наносистемы для диагностики и управляемой адресной доставки
лекарственных препаратов в целевые области организма в нужное время в
нужном количестве.

Развитие высоких технологий в электронике и компьютерной технике
связано с созданием устройств, функционирующих на новых принципах и
физических эффектах — квантовых компьютеров, наноэлектронных систем и
т.п. Нано-биоэлектроника имеет непосредственное отношение к разработке
био совместимых имплантируемых в организм электронных устройств (био-
чипов), нано-роботов, элементов памяти и т.п., появление и внедрение
которых может радикально изменить образ жизни человечества.

Решение этих и других сложных и пока «нерешаемых» проблем
потенциально могут обеспечить биомиметические подходы и стратегии в
создании новых высокоэффективных технологий, функциональных
материалов и устройств с уникальными и/или рекордными характеристиками.
Биомиметические подходы основаны на использовании биогенных или
биоподобных процессов и/или материалов в различных (в пределе — во всех)
сферах человеческой деятельности. Такие подходы в принципе позволяют
создавать биосовместимые материалы и функциональные системы с
использованием экологичных и экономически-эффективных биоподобных
процессов, основанных на принципах самосборки, самоорганизации и
самовоспроизведения, протекающих при квазинормальных условиях, не
требующих создания вакуума, высоких или низких температур, высокого или
низкого давления и пр. Поскольку речь при этом идет о работе с нано-
размерными объектами (биополимеры, надмолекулярные коллоидные
структуры, мембраны, наночастицы и пр.), то используемые методы и
подходы можно отнести к инструментам нано-биотехнологий. Естественной
эволюцией биомиметических подходов является возникновение и активное
развитие в настоящее время перспективных компьютерных технологий
обработки информации, основанных на использовании алгоритмов
искусственного интеллекта и нейросетевого программно-аппаратного
инструментария.

В живых системах имеют место физические эффекты и реализуются
структуры, представляющие большой интерес для нанотехнологий и
создания биомиметических систем с уникальными свойствами. В данном
разделе будет рассмотрен ряд примеров биологических и биомиметических
наносистем, а также физических эффектов в таких системах: планарные
мономолекулярные наноструктуры на границе раздела фаз и искусственные
коллоидные бислойные липидные везикулы (липосомы) — перспективные
системы для капсулирования и адресной управляемой доставки
лекарственных препаратов непосредственно в целевые области организма;
капиллярные эффекты; энергетика ионов в гетерофазных системах;
одноэлектронные эффекты (имеющие место в системах одноэлектронного
туннельного переноса по цепи электронных переносчиков в мембранах
хлоропластов и митохондрий) — прототип предельных одноэлектронных
систем для электроники будущего; организованные ансамбли однодоменных
наночастиц магнитных оксидов железа — «нано-биокомпас», позволяющий
многим живым организмам (магнитотактические бактерии, птицы, рыбы,
насекомые...) ориентироваться в магнитном поле Земли.

Поверхностное натяжение

В описании физических свойств дисперсных систем и в протекании
различных процессов в дисперсных системах принципиально важную роль
играет поверхность границы раздела фаз и величина удельной поверхностной
энергии (так называемое поверхностное натяжение). В термодинамике в
соответствии с подходом Гиббса вклад поверхности в изменения внутренней
энергии U и свободной энергии G системы, включающей границу раздела фаз,
количественно описываются с помощью введения в фундаментальное
уравнение второго закона термодинамики (уравнение 1) и в выражение для
полного дифференциала свободной энергии dG (уравнение 2) члена ydA 5 где
У — коэффициент поверхностного натяжения (или просто поверхностное
натяжение), А — площадь границы раздела фаз (площадь поверхности,
разделяющей контактирующие фазы 1 и 2 в двухфазной системе (см.
рисунок 16.1)):

dU = TdS - pdV +	pidNi + ydA

(1)
dG = -SdT + Vdp + pidNi + ydA

i

(2)

(3)



Фаза 1

/	A

Фаза 2

Рис. 16.1. Гетерогенная двухфазная система, имеющая границу раздела фаз площа-
дью А с величиной поверхностного натяжения у.

Таким образом, изменение свободной энергии dGs гетерофазной
системы при изменении площади поверхности межфазной границы (раздела
фаз) при постоянной температуре, давлении и химическом составе
контактирующих фаз составляет:

dGs = ydA	(4)

Если величина поверхностного натяжения одинакова на всей
поверхности границы раздела фаз, то вклад поверхности в свободную
энергию гетерофазной системы Справен:

А

G = j ydA = уА	(5)

о

3. Эффекты капиллярности

Если граница раздела двух контактирующих фаз не является плоской,
то в равновесии между фазами существует разница величин давления,
зависящая от формы поверхности фаз. В случае сферической формы
поверхности радиуса R эта разница давлений АР описывается уравнением
Лапласа:
2г

д/,~(б)

Именно этот эффект обусловливает поднятие уровня воды в
капиллярах с гидрофильной поверхностью стенок. Высота поднятия
жидкости в капилляре в равновесии определяется равенством величин
гидростатического давления столба жидкости высотой h в капилляре и
Лапласова скачка давления АР:

2г
рх gxh = — х cos 0
R

где р — плотность жидкости, g — ускорение силы тяжести, в — контактный
угол смачивания.

В живых системах эффекты капиллярности играют важную роль. В
частности, они наряду с осмотическими эффектами (формула Вант-Гоффа
для осмотического давления:	= ix ctot (х) х R х Т ) обусловливают

движение водных растворов в растениях от корней вверх по системе
капилляров.

Рис. 16.2. Рекордсмен по высоте вечнозеленая секвойя «Гиперион» (парк Редвуц,
Калифорния). Высота составляет 115 метров при диаметре ствола 4.8 метра.

Задача на дом №L
Опыт Франклина — определение размера амфифильной молеку-
лы в монослойной пленке масла на поверхности водной фазы.

История научного исследования монослоев
амфифильных молекул на поверхности
водной фазы начинается с 1774 г. — с од-
ного из многочисленных увлечений Бенд-
жамина Франклина, выдающегося амери-
канского ученого и дипломата. Он
единственный из “отцов-основателей”
США, который подписал все три основных
документа: Декларацию независимости
США, Конституцию США и Версальский
мирный договор 1783 г.

Франклин в свободное время эксперимен-
тировал с масляными пленками на поверх-
ности воды. Ученый был изрядно удивлен,

когда выяснил, что одна ложка растительного масла растекается по поверх-
ности пруда площадью в пол-акра (1акр = 4046,86 м2), образуя сплошную
пленку.

Задача: Предполагая, что пленка масла на поверхности воды является пре-
дельно тонкой и имеет минимально возможную толщину в один слой моле-
кул масла (является монослойной или мономолекулярной), определите «вы-
соту» h молекулы масла в сплошном конденсированном монослое молекул
масла.

Дано: Плотность кукурузного масла р при 10 °C составляет 924 кг/м3. Моле-
кулярная масса М некоторых водонерастворимых амффифильных молекул,
входящих в состав масла (жирных кислот): стеариновая кислота
284.48 г/моль; пальмитиновая кислота 256.4 г/моль; линолевая кислота
280,4г/моль; Примем для определенности за среднюю «эффективную» вели-
чину молекулярной массы молекул масла величину, равную 280 г.

Решение:

Предположим с большой долей вероятности, что эффект полного растекания
жидкости с малой величиной поверхностного натяжения (у масла у=33 мН/м)
по поверхности жидкости с большой величиной поверхностного натяжения
(у воды у=72 мН/м, граница раздела вода/масло у=15,7 мН/м) приведет в пре-
деле к образованию монослоя молекул масла на поверхности воды.
Площадь поверхности водоема S = 4046,86/2 = 2023,43 м2.

Объем масла, наносимого на поверхность водоема, V= 5мл (5><10'6м3).
«Высота» молекулы масла

h = V/S = 2023,43/5x10“6 = 2,471 х10’9м ~ 2,47 нм = 24,7 А.

Задача на дом №2.

Планарные молекулярные наноструктуры — монослои и муль-
тислои амфифильных молекул

Мономолекулярные слои амфи-
фильных молекул на границе раздела
фаз газ/жидкость (ленгмюровс-кие
монослои) и моно- или мульти-слойные
пленки таких молекул на поверхности
твердотельных подложек (пленки
Ленгмюра-Блоджетт) пред-ставляют
собой удобные и эффективные
планарные системы для изучения
структуры и физических свойств
организованных липидных систем с
целью моделирования и установления
структурно-функциональных характе-
ристик липидных бислоев и
надмолекулярных	структур,

являющихся структурной основой

биомембран и искусственных липидных везикул. Подходы, основанные на

использовании ленгмюровских монослоев и методов получения пленок
Ленгмюра-Блоджетт, также широко используются в современных научных
междисциплинарных исследованиях, связанных с созданием и изучением
новых функциональных планарных молекулярных наноматериалов,
покрытий и квази-двумерных наносистем.

Исторически, именно нерастворимые монослои молекул стеариновой
кислоты Н35С17СООН на поверхности водной субфазы стали модельными
системами для систематического научного исследования двумерного
состояния вещества, впервые выполненного Ирвингом Ленгмюром в США.
В значительной степени за эти работы И. Ленгмюр был удостоен
Нобелевской премии по химии в 1932 г. «за открытия и исследования в
области химии поверхностных явлений». С тех пор монослои нерастворимых
амфифильных соединений на поверхности жидкой фазы называют
ленгмюровскими монослоями.
Поверхностное давление в монослое л — это разница между величинами по-
верхностного натяжения чистой водной субфазы и поверхностного натяже-
ния водной субфазы, на поверхности которой находится ленгмюровский мо-
нослой амфифильных молекул. На рис. 16.3 представлена характерная
изотерма сжатия монослоя молекул липидов (зависимость поверхностного
давления от площади монослоя). Звездочкой отмечена жидкокристалличе-
ская фаза, соответствующая состоянию молекул липидов в биологических
мембранах. На рис. 16.4 схематически изображены методы переноса моно-
слоя амфифильных молекул с повехности водной фазы на твердотельные
подложки.

Площадь моно слоя, А/мол.

Рис. 16.3. Изотерма сжатия ленгмюровского монослоя амфифильных молекул ли-
пида.

Рис. 16.4. Схема методов переноса монослоя амфифильных молекул на твердо-
тельные подложки.
Энергетика индивидуальных зарядов (ионов) в водных и невод-
ных средах. Одноэлектроника

Примером успешной биомиметической разработки в области
наноэлектроники является создание в 1996 г. на физическом факультете МГУ
одноэлектронного туннельного транзистора, функционирующего при
комнатной температуре. Фактически, это первая в мире успешная реализация
прототипа предельного электронного устройства (транзистора), управление
током в котором осуществляется посредством изменений электрических
полей, происходящих при изменении электрического заряда на один электрон
на центральном электроде транзистора. Для реализации одноэлектронных
эффектов изменение электростатической энергии системы, происходящее
при изменении заряда центрального электрода на один элементарный заряд
|е| (е — заряд одного электрона), должно быть существенно больше тепловой
энергии кТ. Такой транзистор, функционирующий при комнатной
температуре, был создан с помощью биомиметического подхода с
использованием методов молекулярной нано-инженерии. Этими методами
впервые были получены стабильные мономолекулярные нанокомпозитные
ленгмюровские монослои (рис. 16.5) и пленки, содержащие нанокластеры
металлов, являющиеся центрами локализации туннелирующих электронов
(рис. 16.6). Одноэлектронные системы являются прототипами и основой
создания предельно чувствительных перспективных электронных устройств
— сенсоров, датчиков, логических элементов, памяти и т.п. Такие нано-
системы являются полными аналогами белков-одноэлектронных
переносчиков в мембранах митохондрий животных и хлоропластов растений.
Этой разработке посвящена статья в Википедии:
https://rii.wikipedia.org/wiki/OflHQTJieKTpoHHbifi транзистор

В водных средах носителями индивидуальных зарядов являются ионы.
Достаточно простые и строгие физические оценки изменений
электростатической энергии носителей зарядов позволяют количественно
описывать эффекты сольватации ионов и одноэлектронные эффекты.

В основе описания таких электростатических эффектов лежит закон
Кулона:

1	*71 #2 Г12

4^ г ’	(8)

где Г|2 — радиус-вектор, соединяющий точечные заряды q2 и q2.

Соответственно, напряженность электрического поля Е, создаваемого
точечным зарядом q на расстоянии г от него равна:
1 qr

E(r) =	= -grader)

47Г££() г

Величина потенциала (р(г) электрического поля, создаваемого
точечным зарядом q на расстоянии г от него (относительно
электронейтральной бесконечности (г—>оо, где ^>(оо) = 0) равна:

1 д

Г



(Ю)

Рис. 16.5. Схема переноса монослоя стеариновой кислоты с металлическими на-
нокластерами на подложку.

Рис. 16.6. Топографическое СТМ-изображение монослоя металлических кластеров
Аию1[Р(СбН5)з]21С15 на поверхности графита. Изображения были получены при
нормальных условиях (21 °C). Туннельный ток I = 0.3 нА, напряжение смещения
V = 200 мВ.
Если заряд локализован в пространстве, ограниченном сферой радиуса

г, то тогда можно ввести понятие электрической емкости

dp - из

соотношения (10) следует, что емкость С сферы радиуса г равна С=4п8£ог.

Е

Рис. 16.7. Схема заряженной частицы (иона) радиуса г с зарядом q в среде с диэлек-
трической проницаемостью е.

Наиболее простая модель для оценки энергии сольватации ионов была
предложена М. Борном. Согласно этой модели, ион рассматривается как
заряженный шарик радиуса г, а растворитель — как сплошная однородная
среда (континуум) с диэлектрической постоянной £ (см. рисунок 16.7).
Выражение для электростатической энергии заряженной сферы как работы
заряжения We сферы радиуса г до заряда q в среде с диэлектрической

проницаемостью £ имеет вид:

We

r)dq = ]-^
о 4^0Г

(И)



Эту формулу также можно получить используя величину
электрической емкости сферы и известное выражение для энергии

2

заряженного конденсатора W =	.

Соответственно, изменение энергии заряда q при его переносе из
среды с диэлектрической проницаемостью £i в среду с диэлектрической
проницаемостью £2 ( AFFe) равно:

Л W£

р q

(12)

Согласно модели Борна, энергия гидратации иона в водной фазе

соответствует работе по его переносу из вакуума (где нет воды и
относительная диэлектрическая проницаемость равна 1) в водную фазу с
относительной диэлектрической проницаемостью 8=81.

AWS =---1- —

8^ог £НгО

(13)

Соответственно, изменение молярной свободной энергии гидратации
AGS (моля ионов с зарядом q) равно:

2
д

^Ge = Na

1------

£ню J

(14)

Из формул 13, 14 видно, что электростатическая энергия гидратации
увеличивается с уменьшением радиуса иона. Для катионов Na+ эффективный
радиус составляет 0,095 нм, а величина AGS 722 кДж/моль. Для ионов СГ
радиус составляет 0,181 нм, а величина AGS оказывается равна
379 кДж/моль. При этом, при нормальной температуре (300 °К) мольная
тепловая энергия равна: NA*kT = RT =2,479 кДж/моль.

Энергии гидратации, рассчитанные по модели Борна, весьма
значительны и достаточны для разрушения кристаллической решетки солей
при образовании растворов электролитов. Этот наиболее важный
качественный вывод из теории Борна показывает, что основной причиной
образования и устойчивости растворов электролитов служит сольватация
ионов.

Задача на дом №3.

Капсулирование лекарств

Одной из наиболее важных и актуальных проблем современной
прикладной биофизики и нанобиоинженерии является разработка
биомедицинской технологии, позволяющей обеспечить эффективную
адресную доставку и управляемое высвобождение лекарственных препаратов
избирательно в локальные целевые области организма in vivo. Такие
технологии позволят добиться колоссального увеличения эффективности
лекарственной терапии многочисленных заболеваний (путем достижения
пространственно-временного сопряжения доставки и действия
лекарственного препарата избирательно только в целевой области организма),
а так же максимально снизить побочные эффекты вводимого в организм
лекарственного препарата.
Идея адресной доставки лекарств в целевые области организма была
впервые сформулирована немецким врачем и ученым П. Эрлихом в начале
20-го века и известна как концепция «магической пули» Эрлиха:

«Мы научимся стрелять по микробам волшебными пулями».

В соответствии с этой концепцией лекарственная терапия будущего —
это адресная управляемая доставка лекарств только в целевые области
организма в нужном количестве и в нужное время (пространственно-
временное сопряжение лекарственного воздействия).

Пауль Эрлих (нем. Paul Ehrlich,
14 марта 1854 - 20 августа 1915 Германия)
— немецкий врач, иммунолог, бактериолог,
химик, основоположник химиотерапии.
Лауреат Нобелевской премии по физиоло-
гии и медицине 1908г. (совместно с
И.И. Мечниковым).

Реализация концепции управляемой
адресной доставки лекарств включает'.

1.	разработку средств капсулирования
лекарств, представляющих собой
коллоидные системы микронных и
субмикронных размеров (носители

лекарств), способные перемещаться в биологических жидких средах и
достигать целевые области;

2.	разработку методов, обеспечивающих эффективную локализацию но-
сителей лекарств в целевых областях организма (так называемые век-
торы, обеспечивающие специфическое химическое связывание носи-
телей лекарств с целевыми клетками аналогично взаимодействию
антиген-антитело, или физические взаимодействия (электрические,
магнитные) обеспечивающие аккумулирование коллоидных носителей
лекарств в соответствующих локальных целевых областях);

3.	разработку методов, обеспечивающих эффективное высвобождение
капсулированных лекарственных препаратов в целевой области в нуж-
ное время и в нужном количестве.

Важным аспектом создания капсул-носителей лекарств является их
максимальная биосовместимость и минимальная токсичность. С учетом
этого обстоятельства оптимальными носителями лекарств являются биоми-
метические носители, создаваемые из биогенных молекул. Такими молеку-
лами, в частности, являются молекулы липидов, образующие мембранные
коллоидные везикулы и липидные частицы — липопротеиды и пр.

Липидная молекула

о

II

О СН, О Р О СН, CH, NXCH.),

II I -
\ААЛ/=\АААХ’о-сн о
VW^VA\<' о сн,
о

Липиды — водонерастворимые биогенные амфифильные молекулы,
самопроизвольно образующие бислойные мембранные структуры в водной
фазе. В живых системах встречаются и другие амфифильные молекулы,
например, жирные кислоты, являющиеся компонентами жиров и масел.
Водонерастворимые жирные кислоты, в частности, стеариновая кислота,
часто используются для получения мономолекулярных ленгмюровских
монослоев и пленок, описанных в предыдущем разделе. Молекулы липидов
также образуют ленгмюровские монослои на поверхности водной фазы,
которые являются модельной системой для исследования физико-химических
свойств организованных планарных липидных структур.

Липосомы — квази-сферические коллоидные липидные везикулы,
внутренний водный объем которых отделен от внешней водной фазы
бислойной липидной мембраной (рис. 16.8). Такие везикулы абсолютно
биосовместимы и представляют собой потенциальные нано-контейнеры для
капсулирования лекарств, перспективные для реальных биомедицинских
применений (рис. 16.9, 16.10).

Рис. 16.8. Схематическое изображе-
ние липосомы.

Рис. 16.9. Доксорубицин — один из наибо-
лее широко применяемых в настоящее вре-
мя противоопухолевых антибиотиков. Пло-
хо растворим в воде.

о но о

Св NH2
Рис. 16.10. Доксил — первый коммерчески доступный медицинский препарат,
представляющий собой липосомы с капсулированными внутри молекулами
доксорубицина. Применяется в реальной медицинской практике.

Задача

Водная суспензия липосом представляет собой суспензию липидных
везикул в водной фазе со средним внешним диаметром D=100hm (см.
tot

рис. 16.11). Содержание липида (суммарная масса липида т1 ) в суспензии
составляет 1 мг/мл.

Определите внутренний объем липосомы Vin (объем водной фазы,
доступный для капсулирования молекул доксорубицина) и суммарный
jrtot
внутренний водный объем всех липосом в суспензии объемом 1 мл V ™ .
Вычислите максимальное количество доксорубицина, которое может быть
капсулировано в одной липосоме и максимальное количество
капсулированного доксорубицина в суспензии липосом объемом 1 мл
(содержание липида 1 мг/мл).

Плотность доксорубицина p(i = 1,6±0,1 г/см3 (1600 кг/м3).

Молярная масса доксорубицина Мдох равна 543,52 г/моль.

Плотность (кукурузного) масла рм при 20 °C составляет 924 кг/м3.
Будем считать для простоты, что липиды в мембране имеют аналогичную
плотность pi.

Число Авогадро (количество молекул в одном моле) равно TVA =
6,022x1023 моль-1.
Рис. 16.11. Схематическое изображение липосомы.

Решение

Определим внутренний водный объем липосомы Vin, доступный для
молекул доксорубицина:

= у х (Л - ‘Ч

=4Xj’14x(50-5)3 /10	= 3,82х10'!!м’

Вычислим объем липидной фазы мембраны липосомы Г/.

К,=Г-К„. = \[Л3-(я-4’]

(а - Ь)3 = а - За2Ь + ЗаЬ2 - Ь3

R3-(R- dj = 3R2d - 3Rd2 + d3

3x2500x5 - 3x50x25 + 125 = 37500 - 3750 + 125 = 33875 нм3

V,=v- Vt„ = 4	-3/W2 -d’] - 1,42/III22

Масса одной липосомы равна mi = pi* Vi
Количество липосом в суспензии Ni равно:

_ tot	tot

N = ' = z

Pi* Р/

10~6 х 1022

924x1,42

= 7,62хЮ12 штук

Максимальное количество доксорубицина, которое может быть
капсулировано в одной липосоме, соответствует квази-конденсированному
состоянию капсулированного доксорубицина. Тогда максимальная масса
доксорубицина в одной липосоме т™* составляет:
т™* = р, xV.
dox r'dox т

Эта масса соответствует количеству молей доксорубицина vdox ,

равному m™*/Mdox.

Соответственно, максимальное количество молекул доксорубицина,
капсулированных в одной липосоме N™x , можно вычислить используя

число Авогадро (количество молекул в одном моле) по формуле:

N™* = Vd xN _ Х х N = 1600х3>82х10 х 6,022 хЮ23 =
dox dox А ’ Mdox А	0,54352

677167 штук

TftOt

Полный внутренний объем всех липосом У in в суспензии объемом
1 мл (10-6 м3), который может быть заполнен капсулированным
доксорубицином, составляет:

Vtot =N,xV.
in	I in

tot
m,

-----1—xV. =-----------------

Pl xl/l Pl*

™ tot

г гт' 2	31x(«-d)3

[3R2d-3Rd2 +<f]

10"6x453

924x33875

=2,9xl0’9 m3

Максимальное количество (масса) капсулированного доксорубицина в
суспензии липосом объемом 1 мл с содержанием липида 1 мг составляет:

т“ = N,хпГ =	—хр„ xV. =

dox	I dox	-г г ! dox in

Pl*vl

___________3m?__________	4^ , v_

plx4n[3R2d-3Rd2+d3~\Xf>doxX 3

= _rnL х^х(^ <7) = 4 66xlО'6 кг (4, 66 мг)

Plx\3R2d-3Rd2+d3\	v ’

Эта масса соответствует суммарному количеству молекул

xrmaxto/

доксорубицина в суспензии dox 5 равному

max tot
lid

t^dox ~^A*—---------~^dox * ^1 = 5Д5Х1018 штук

± dox

Задача на дом №4.
8. Магнитный нано-биокомпас

У Земли есть магнитное поле. Как почувствовать это поле? Как это
делают живые системы?

В различных живых системах присутствуют нанофазные неорга-
нические магнитные наночастицы биогенного происхождения. Эти
наночастицы образуются в результате процессов биоминерализации и могут
играть важную физиологическую роль в процессах жизнедеятельности, а
также являться продуктом и, соответственно, биомаркером определенных
патологий. Биогенные магнитные наночастицы, в основном магнитные
однодоменные оксиды железа — магнетит и маггемит, впервые
обнаруженные в середине 20 в. основателем кафедры биофизики Л.А. Блю-
менфельдом с сотрудниками в препаратах ДНК и в клеточных культурах на
определенных стадиях деления клеток (так называемый эффект широких
линий сигнала ЭПР), в настоящее время найдены в самых разных живых
организмах от бактерий и растений до насекомых, рыб, птиц и животных
включая человека, у которого их присутствие коррелирует с нейродегенера-
тивными патологиями.

Schuler □, Genetics end cell hiologyef megnetosome formation in
magnetotacti c bacleria, Mic.rQibrciilcicry ftevrews, 200&

Рис. 16.13. Электронномикроскопическое изображение магнитотактической бакте-
рии и схематическое изображение магнитосомы.

Магнитные и золотые наночастицы, а также функциональные
наносистемы на их основе, являются основными объектами нано-инженерии
и представляют большой интерес для современных и перспективных био-
медицинских применений, включающих высокоэффективные средства
диагностики и новые технологии лекарственной терапии на основе
управляемой пространственно-временной корреляции процессов доставки и
активации лекарственных препаратов в локальных целевых областях
организма.

В чувствительной к внешнему магнитному полю (магнитному полю
Земли) магнитотактической бактерии есть специальная цепочка магнитных
однодоменных наночастиц (магнитосом), обеспечивающая чувствительность
бактерии к внешнему магнитному полю и позволяющая бактерии
ориентироваться в этом поле (определять направление вектора напряжен-
ности магнитного поля) (рис. 16.13).

Задача

Вычислить магнитные моменты таких наночастиц (состав наночастиц
— магнетит БезОд, величина удельной объемной намагниченности
насыщения магнетита Ms составляет 4,6x105 А/м), оценить энергию
межчастичных диполь-дипольных взаимодействий, оценить энергию Зеемана
взаимодействия с магнитным полем Земли индивидуальных наночастиц
магнетита и цепочек таких наночастиц (в зависимости от количества
наночастиц магнетита в цепочке), сравнить с кТ (кТ = 4,11х10-21 Дж =
25,7 мэВ при Т = 300 °К). Магнитная индукция магнитного поля Земли в
среднем составляет 5хЮ-5 Тл.

Ответить на вопросы: в каких системах (индивидуальные частицы или
цепочки) взаимодействие с внешним полем сильнее и почему в живых
системах магнитосомы организованы в цепочки. Оценить энергию Зеемана
реальной магнитотактической бактерии (~20 магнитосом) в магнитном поле
Земли.

Величина индукции магнитного поля В , создаваемого точечным
магнитным дипольным моментом m в точке пространства, характеризуемой
радиус-вектором г , направленным из этой точки пространства в точку
локализации магнитного момента, равна:

xr)xr m

_ Ао[ 3(т

4д

Магнитостатическая энергия магнитного момента fh во внешнем
магнитном поле В (энергия Зеемана) Wz равна скалярному произведению
векторов m и В со знаком минус:

W7 = -m х В	(16)

Для однородно намагниченной магнитной частицы величина ее
магнитного момента m равна произведению намагниченности частицы М на
объем частицы И:

fh - М х V	(17)

Из уравнений (15) и (16) можно найти энергию взаимодействия двух
магнитных диполей m и т2 (магнитного диполь-дипольного взаимодей-
ствия) Wad как энергию магнитного момента в магнитном поле,

создаваемом магнитным моментом т2:
И7', = хщ.
аа	л	1

4тг

3(т2 х г) х г
г5

(18)

Для двух квази-сферических магнитных частиц диаметром d,
находящихся в непосредственном контакте (на расстоянии d между их
центрами) из формулы (18) имеем для максимальной энергии притяжения
диполей, соответствующей коллинеарной ориентации векторов их магнитных

моментов:

w =
dd

(19)

Эта величина равна величине кТ при 300 °К для наночастиц магнетита
диаметром 6.9 нм.

Для наночастиц магнетита диаметром 40 нм (средний диаметр
наночастиц магнетита в магнитосомах) величина Waa превышает кТ в 195 раз.

Для системы в равновесии в каноническом ансамбле вероятность того,
что она находится в состоянии с энергией Е пропорциональна е~Е1кт. Таким
образом, при нормальных температурах диполь-дипольное взаимодействие
контактирующих наночастиц магнетита диаметром 40 нм обеспечивает их
перманентное притяжение с энергией WcW и коллинеарную ориентацию их
магнитных моментов. С учетом векторного суммирования магнитных
моментов ансамблей магнитных частиц это означает, что суммарный
магнитный момент цепочки из N магнитных частиц магнетита диаметром 40
нм, обладающих каждая магнитным моментом m , будет равен Nx m .

Магнитостатическая энергия взаимодействия магнитного момента
наночастицы магнетита с магнитным полем Земли равна:

Wz - -m хВ - -М xV х В

(20)

Для индивидуальной наночастицы магнетита диаметром 40 нм эта
энергия равна 7,7x10-22 Дж. Эта величина меньше кТ в 5,3 раз
(кТ = 4,Цх10-21 Дж при 300 °К). Если с магнитным полем Земли
взаимодействует цепочка из N магнитоупорядоченных магнитных
наночастиц, то энергия Зеемана такой цепочки будет в N раз больше энергии
Зеемана индивидуальной частицы. Соответственно, энергия Зеемана цепочки
из 20 наночастиц магнетита диаметром 40 нм каждая уже будет составлять
величину 3,7 кТ и такая цепочка сможет эффективно «чувствовать» внешнее
магнитное поле Земли и ориентироваться в нем. Именно поэтому в живых
системах, обладающих способностью ориентироваться в магнитном поле
Земли (бактерии, насекомые, птицы, рыбы.), присутствуют упорядоченные
цепочечные ансамбли магнитных наночастиц оксидов железа.
Задание на дом с ответами

Задача №1

Определите площадь А на поверхности водной фазы, занимаемую одной мо-
лекулой масла в монослое.

Чтобы определить величину площади на поверхности водной фазы, занимае-
мую одной молекулой масла (А), необходимо вычислить полное количество
молекул масла на водной поверхности и разделить величину площади водной
поверхности S на это количество молекул. Это количество N равно массе
масла т, деленной на его молярную массу М и умноженной на число Аво-
гадро Na (число Авогадро — это количество молекул в одном моле вещества
Аа = 6,022 140 76 • 1023 моль’1).

Масса масла т равна его объему, умноженному на его плотность:

m =	5x10-6 х 924 = 4620хЮ'6 кг = 4,62г.

N = N х—= 6,02214076x1023 х^ = 0,09936x1023 = 9,936х1021 =

А М	280

= 6,02214076х Ю23 х 4,62 / 280 = 0,09936х Ю23 = 9,936х Ю21

А = 57А= 2023,43/9,936х1021 = 20,365х10’2°м2/молекулу =

= 20,365 А2/молекулу

Задача №2

Оцените радиус капилляров в дереве высотой 15 метров, считая
поверхность капилляров гидрофильной (угол 0 равен 0).

Ответ: 9,6x10”7м.

Задача №3

Используя модель Борна для расчета энергии гидратации ионов,
определите характерный размер пространственной области локализации
электрического заряда г (радиус активного центра электронного переносчика,
иона), при котором электростатическая энергия системы (уравнение 11)
меняется на величину, равную или большую кТ (при 300°К) при изменении
заряда этой области локализации заряда на |е|, где е — заряд электрона.
Сравните случаи локализации заряда в водной фазе и в мембране (в
гидрофобной липидной фазе, имеющей относительную диэлектрическую
проницаемость 8—2).

При Т=300 °К £Т = 4,11 х 10“21 Дж = 25,7 мэВ

80= 8,854-10-12 Ф/м

|е| = 1,602176634-10’19 Кл

Ответ:

г = 2^- х 10 8 м

Е

8=2, г=1,4х10“8м

8=82, г=3,4хЮ“10 м

Задача №4

Рис. 16.14. Схема липидной частицы.

Сколько молекул куркумина может поместиться в липидной частице,
представляющей собой каплю масла, окруженную липидным монослоем
(рис. 16.14)? Внешний диаметр частицы равен 100 нм. Считаем, что состав
внутренней области частицы по объему — 60% масло, 40% — куркумин.
Куркумин нерастворим в воде, но растворим в масле.

Плотность масла и куркумина —920 кг/м3.

Молярная масса куркумина — 368.38 г/моль.

Ответ:

Vin = 4,487 х10’22м3

= 2,7 хЮ5 штук

Структурная формула молекулы куркумина
17. Физико-химические предпосылки возник-
новения предшественников живой клетки

Настоящий раздел учебника посвящен изложению экспериментальных
и теоретических материалов о том, что исходная удаленность протокле-
ток от состояния термодинамического равновесия непосредственно связа-
на со спонтанным возникновением в неравновесном тонком поверхностном
слое морской воды двух сопряженных фундаментальных биологических
асимметрий: клеточной — ионной и молекулярной — хиральной. Первая оп-
ределила способность дискретных пробионтов к формированию систем
клеточного транспорта и реагированию на внешние возмущения, вторая —
однозначную молекулярную специфичность углеродных соединений и спон-
танное формирование хирально знакопеременных внутри- и надмолекуляр-
ных структур, способных функционировать в качестве молекулярных ма-
шин.

Введение

Если считать, что предназначение человечества состоит в том, чтобы
познать Вселенную и осознать себя, то одной из ключевых проблем на этом
пути является проблема происхождения жизни. Естественным путем. На
Земле.

По этому поводу написано множество статей и книг, но однозначного
ответа на этот вопрос в них нет [1, 2]. И, учитывая сегодняшний уровень на-
ших знаний, он не скоро появится. Тем не менее, на некоторые вопросы, в
частности, об отдельных стадиях происхождения жизни на Земле, уже сейчас
можно дать более или менее правдоподобные ответы. Гипотезы панспермии
(космического инфицирования Земли простейшими организмами или биомо-
лекулами) и сотворения мы здесь рассматривать не будем, поскольку они за-
меняют одни вопросы другими, но ответа на основной вопрос о происхожде-
нии жизни не дают.

Жизнь на Земле основана на соединениях углерода, и основные про-
цессы ее протекают в водной среде. Вода — универсальный растворитель,
облегчающий протекание многих химических реакций. Углерод лучше дру-
гих элементов подходит для формирования органических молекул, посколь-
ку легко образует связи со многими другими атомами. К настоящему време-
ни экспериментально показано, что практически все простейшие
биологически важные органические соединения могли образоваться в есте-
ственных условиях на древней Земле в ходе природных физико-химических
процессов. Биомакромолекулы — белки и нуклеиновые кислоты, а также уг-
леводы и липиды составляют основу современной жизни. Все они обладают
свойством хиральности, речь о котором пойдет ниже.

Распространенные в научном мире гипотезы возникновения жизни
(А.И. Опарина [3], Дж.В.С. Холдейна, Дж.Д. Бернала, М.Г. Руттена, их
последователей), в принципе, можно отнести к двум полярным группам. Обе
химические: одна — структурная, другая — кинетическая. В обоих случаях
все начинается с малых молекул, образующихся абиогенным путем. Одни
гипотезы полагают, что исходно, минуя эволюционный отбор в составе
сложной биомакромолекулярной системы, случайно образовался носитель
наследственной информации — «штамп» (репликатор крупная молекула),
способная к самовоспроизведению (например, ДНК или РНК). Гипотеза
«белок — основа жизни» имеет исключительно историческую ценность,
поскольку материально не поддерживает функцию наследственного
консерватизма. ДНК — «хранитель» инструкций о синтезе белков, которые,
однако, нельзя исполнить без участия тех же белков [4]. Известно, что ДНК
— хранитель и носитель первичной информации о белках и через них — о
клетках и организмах. РНК выполняет роль посредника между ДНК и
белками, то есть генетическая информация переписывается с ДНК на РНК, а
потом РНК служит матрицей для синтеза белка. Возникает вопрос: зачем
вообще нужна РНК, если можно было бы сразу на основе ДНК строить белок.
С химической точки зрения они похожи. С 80-х гг. прошлого века, когда были
открыты каталитические функции РНК, этот класс молекул считается
кандидатом на роль «первой молекулы жизни». Оказалось, что некоторые
молекулы РНК могут фактически заменять белки, могут выполнять функции
ферментов. Стало ясно, что теоретически возможен организм, в котором нет
ни белков, ни ДНК, а есть только РНК, например, вирусы, у которых
хранителем наследственной информации служит РНК. Скорее всего,
первыми репликаторами действительно были молекулы РНК,
катализирующие синтез собственных копий. Существует даже обобщающее
понятие «мир РНК».

Теории, предполагающие, что «вначале был репликатор», должны
объяснить, как столь сложная молекула могла спонтанно возникнуть и
эволюционировать в относительно простой системе без участия в
естественном отборе в качестве компонента сложной системы. Такого рода
теоретические попытки, эффектные, но не завершенные экспериментально,
были предприняты М. Эйгеном и его последователями («гиперциклы»).
Версии, утверждающие, что «вначале был метаболизм», должны доказать,
что на первобытной Земле существовали предпосылки для образования и
поддержания химических сетей, способных к расширению и эволюции.
Свидетельства существования жизни встречаются в самых древних
породах земной коры. От начальных этапов существования нашей планеты
не осталось прямых геологических следов, которые в принципе могли бы
иметь следы жизни. А самые древние следы жизни в виде кусочков графита с
измененным изотопным составом углерода выявляются в сохранившихся
породах возрастом 3,8 млрд. лет. Когда живые организмы синтезируют
органические вещества из углекислого газа, происходит фракционирование
изотопов. По соотношению изотопов в этом древнем углероде можно
предполагать, что уже 3,8 млрд, лет назад на Земле была жизнь. Но, с другой
стороны, фракционирование изотопов углерода может происходить и без
участия живых организмов в ходе некоторых геологических процессов,
связанных с термодиффузией. Более поздние свидетельства (3,7 млрд, лет
назад) основаны не только на изучении изотопного состава углерода, но и
других элементов. Вероятность появления такого изотопного состава без
участия живых существ очень мала. На сегодня можно считать доказанным,
что три с половиной миллиарда лет назад жизнь уже была. Есть даже
окаменевшие микроорганизмы, следы жизнедеятельности в виде слоистых
известковых напластований сложной формы, которые называются
строматолитами.

Для всех живых клеток характерно неравномерное и неравновесное
распределение веществ и ионов между клеткой и окружающей средой. Среди
этих распределений особое место занимают несимметричные распределения
неорганических катионов — натрия и калия, магния и кальция. Зеркальные
изомеры хиральных соединений — энантиомеры — аминокислот, сахаров,
фосфолипидов несимметричны по их содержанию в биосфере. Ввиду
общности характера этих распределений, их следует считать двумя
фундаментальными асимметриями в живых системах. Их всеобщность
порождает вопрос об их возникновении: возникли ли они в ходе
биологической эволюции, или их возникновение было предопределено
физико-химическими факторами предбиологической эволюции [5].

Дискретность, размеры клеток. О двух фундаментальных асим-
метриях

Нам известны только дискретные формы жизни — одноклеточные и
многоклеточные организмы. Присущая им вариабельность служит основой
биологической эволюции — конкуренции, приспособляемости в изменяю-
щихся условиях среды. Гипотетические распределенные формы жизни, напо-
добие такой, какую описал С. Лем в «Солярисе», нам не известны и пред-
ставляются с точки зрения требований эволюционного развития маловеро-
ятными.

Размеры живых клеток достаточно разнообразны, однако их средний
размер составляет несколько мкм. По-видимому, эта величина обусловлена
диффузионными ограничениями, восходящими к стадии добиологического
образования предшественников клеток и обусловленными необходимостью
соответствия скорости работы ферментов и диффузионного обеспечения их
молекулами субстратов. Все живые клетки являются дискретными образова-
ниями, принципиально удаленными от состояния термодинамического рав-
новесия. Первичной основой этого служит асимметричное распределение не-
органических ионов между клетками и окружающей средой (рис. 17.1).

Рис. 17.1. Схемы трансмембранного переноса одно- и двухвалентных катионов в
клетках, обеспечивающего их термодинамическую неравновесность.

Все живые клетки в большей или меньшей степени аккумулируют ио-
ны калия из обогащенной ионами натрия внешней среды, такой как морская
вода или кровь (лимфа) млекопитающих. То же относится и к основным
двухвалентным катионам — кальцию и магнию. Кальций накапливается в
клетках, однако концентрация свободного кальция крайне мала из-за высо-
кой константы связывания с биологическими молекулами и структурами
клетки.

По-видимому, основой термодинамической неравновесности
протоклеток стала ионная асимметрия между ними и окружающей
средой [1]. Протонные градиенты в настоящей работе мы созна-
тельно не рассматриваем, считая проблему предметом дальней-
ших исследований, поскольку их энергоемкость существенно ус-
тупает ионным градиентам. Без специализированных механизмов
поддержания ионной асимметрии мембранными насосами, приоб-
ретенными уже в ходе биологической эволюции, электрохимиче-
ские градиенты исчезают. Но и неживая природа, оказывается,
способна создавать неравновесную ионную асимметрию.

Еще одной уникальной находкой природы стало использование одно-
мерных цепей, белков и нуклеиновых кислот, в качестве информационно
значимых молекул (напомним, что запись информации на магнитных и опти-
ческих носителях также является одномерной). Необходимое условие для
этого — хиральная чистота мономеров: L-аминокислот и D-сахаров [1,6, 7].

100 лет назад в 1904 г. лорд Кельвин в своей лекции в Балтиморе,
посвященной динамике молекул и волновой природе света, дал общее
определение хиральных объектов {«хиральность» — от греческого /г/р —
рука). Вне зависимости от своей физической природы хиральным объектом
считается тот, который не может быть совмещен со своим отображением в
плоском зеркале: ни перемещениями, ни поворотами, ни изменениями
масштаба. Наши левые и правые руки — хиральные объекты. Мы обычно не
замечаем, что живем в мире хиральных предметов и образов: от галактик и
живых организмов, вплоть до элементарных частиц.

Жизнь на Земле построена на основе углерода (других форм жизни не
знаем). Углерод может образовывать четыре равноценные химические связи,
направленные из центра правильного тетраэдра к его вершинам [1]. К
хиральным веществам относятся соединения, включающие асимметричный
атом углерода с четырьмя различными заместителями, имеющими с ним
ковалентные связи. Они образуют зеркальные изомеры — энантиомеры,
обладающие оптической активностью — способностью вращать плоскость
поляризации света (L — влево, D — вправо, рис. 17.2). Существуют
молекулы, включающие более одного несимметричного углерода. Хиральная
асимметрия в биосфере однозначно реализуется на генетическом уровне и в
биосинтезе. Обычный пример: L—аминокислоты, D—сахара.

Впервые нарушение зеркальной симметрии наблюдал Луи Пастер,
известный миру более как микробиолог. В 1848 г. он открыл, что виноградная
кислота в результате кристаллизации превращается в смесь L- и D-изомеров
кристаллов винной кислоты [6]. Кислота, получающаяся из D-кристаллов,
совпадает с винной кислотой, образующейся при брожении виноградного
сока; кислота, получающаяся из L-кристаллов, не наблюдается в природе.

Биополимер, построенный из стереоизомеров строго определенного
вида (L или D), является гомохиралъным', биополимер, построенный из смеси
стереоизомеров, —рацемическим или гетерохиралъным.
Естественный вопрос, зачем нужна гомохиральность живым системам,
имеет общий и вполне ясный ответ. Гетерохиральные неразветвленные
биополимеры (нуклеиновые кислоты и белки) потеряют свою уникальную
стереоспецифичность, если в них случайным образом будут входить
мономеры-энантиомеры. Гетерохиральные (по дезоксирибозе) ДНК потеряют
необходимое свойство комплементарного взаимодействия в двойной спирали.
Белки-ферменты, рецепторы, переносчики, шапероны также утратят свою
уникальную пространственную конфигурацию, необходимую для
специфического комплементарного узнавания своих субстратов и лигандов.
Вместе с тем, и другие хиральные участники межмолекулярных
взаимодействий также должны иметь уникальную трехмерную структуру.
Можно представить себе и такую ситуацию, что в биополимерах, например в
белках, строго определенным образом сочетаются L и D изомеры
аминокислот. В таком случае неизмеримо возрос бы необходимый ресурс
генетической информации: триплетный код из четырех нуклеотидов в ДНК
стал бы недостаточен для кодирования (сейчас избыточного) наших
20 распространенных в биосфере аминокислот.

Рис. 17.2. Зеркальные изомеры L и D аминокислот.

СООН

На самом деле хиральных соединений в живых организмах
намного больше — их не менее половины из всех типов биомоле-
кул. По всем классам соединений биологические системы во всей
биосфере гомохиральны (L или D). Это принципиально, и от этого
свойства живой материи пошло представление о «хиральной чис-
тоте биосферы». Существенно, хотя обычно это не обсуждается в
общебиологическом плане, что и все фосфолипиды эукариотов в
биосфере гомохиральны. Объяснение этому состоит в том, что «на
входе» и «на выходе» их метаболизма стоят «хиральные фильтры»
— ферменты.
Гомохиральность — обязательный критерий для всех участников всех
метаболических путей всех живых организмов. Правда, имеются и
исключения, как всегда, подтверждающие правило. Многие биологические
виды способны использовать зеркальные изомеры обычных аминокислот и
сахаров [1]. Это — некоторые виды бактерий, включающие в свои оболочки
сахара «левой» хиральности в качестве естественной защиты. D-
аминокислоты не могут включаться в метаболический круговорот клеток
эукариотов, однако встречаются бактерии, которые содержат D-
глютаминовую аминокислоту и D-аланин в своих клеточных стенках. Более
того, совсем недавно обнаружено, что в организме человека клетками
нервной ткани вырабатывается в качестве нейромедиатора D-серин,
являющийся дублером нейротрансмиттера глютамата. Опиоидные пептиды
содержат D-аминокислоты. Но эти молекулы — исключения, для которых
существуют свои стереоспецифические ферменты. Для случаев, когда какие-
либо организмы используют нетипичные энантиомеры или же эти
энантиомеры образуются вследствие спонтанной рацемизации, то такие
организмы синтезируют специальные ферменты из L-аминокислот,
работающие с ними.

По основным физико-химическим параметрам энантиомеры не разли-
чаются и в обычных химических реакциях образуются в равных количествах,
составляя так называемую рацемическую смесь. Однако в живых клетках для
рибосомального синтеза белков используются только L-аминокислоты, а в
состав нуклеиновых кислот входят только D-caxapa. Биологический смысл
хиральной чистоты биосферы понятен: гомохиральность белков и нуклеино-
вых кислот обусловливает стабильность их структур, обеспечивающих их
функционирование, и, кроме того, для биохимических преобразований гомо-
хиральных соединений требуется гораздо меньше ферментов, чем для таких
же преобразований гетерохиральных соединений.

Появление и поддержание хиральной чистоты невозможно без затрат
энергии. Ввиду общности характера асимметрий (ионной — клеточной и
молекулярной — хиральной), их следует считать двумя фундаменталь-
ными асимметриями в живых системах. Их всеобщность порождает
вопрос и об общности их возникновения: возникли ли они в ходе
биологической эволюции, или их возникновение было предопределено
физико-химическими факторами предбиологической эволюции.

О единстве происхождения ионной и хиральной асимметрий
косвенным образом свидетельствуют расчеты затрат энергии, требуемой на
их поддержание в клетке. Действительно, обе асимметрии отражают
термодинамическое неравновесие: ионные градиенты стремятся к
выравниванию, а неодинаковые концентрации L- и D-энантиомеров
вызывают рацемизацию (усреднение) хиральной смеси. Для «обобщенной»
живой клетки удивительно близкими оказываются оценки энергетической
стоимости ионной Na/K- + Mg/Са-асимметрии и L/D- асимметрии для
хиральных соединений (без фосфолипидов): ~10'12 Дж/клетку [1,5].

Таким образом, энергетические затраты на отбор хирально чистых
аминокислот и нуклеиновых кислот для небольших клеток практически
совпадает с величиной свободной энергии, необходимой для создания ионной
асимметрии, но почти на порядок меньше свободной энергии, необходимой
для отбора одного из стереоизомеров липидов, входящих в бислойную
липидную мембрану. Различие станет еще больше, если учесть наличие
липидов во внутренних структурах клетки.

Приведенное сравнение показывает, что поддержание хиральной
чистоты белков, нуклеиновых кислот и липидов с помощью
термодинамических механизмов потребовало бы от клетки затрат энергии, на
порядок превышающих свободную энергию, запасенную в виде
неравновесного распределения ионов между клеткой и средой. Поэтому
хиральная чистота внутренней среды клетки может поддерживаться только за
счет кинетических механизмов — запретов на реакции со стереоантиподами,
что обеспечивается высокой селективностью соответствующих ферментов и
энергетически ничего не стоит.

Эта ситуация сходна с парадоксом Гиббса: если бы не было
«непроницаемости» ферментов для антиподов, существующее распределение
энантиомеров хиральных соединений обеспечило бы клетке огромный запас
свободной энергии. В существующей ситуации количество свободной
энергии, запасенное в таком неравновесном распределении веществ,
ничтожно и обусловлено только ошибками ферментов и очень медленной
спонтанной рацемизацией соединений.

Знаменательно, что две основные асимметрии, характерные для живых
систем, стоят, с энергетической точки зрения, практически одинаково. Это
наводит на мысль о том, что в ходе добиологической эволюции они возникли
в результате процессов одной природы и в одном и том же месте. Но где? И
какие именно процессы привели к возникновению этих асимметрий?

Пожалуй, главная идея настоящего раздела состоит в том,
что бифуркация, в результате которой появились две неравновес-
ные асимметрии, фундаментальные для живых систем, могли воз-
никнуть и, вероятно, возникли в одно и то же время и в одном и
том же месте в ходе общих процессов. Это место — неравновесная
граница океан-атмосфера.
Поверхность Земли получает от Солнца световой энергии в среднем
немного более 10 мВт-см-2. Эта энергия поглощается в верхних слоях океана
толщиной в десятки метров, а излучается обратно из слоя толщиной в доли
миллиметра. Это связано с тем, что поглощается свет во всем диапазоне сол-
нечного спектра, а излучается в инфракрасной (тепловой) области. Посколь-
ку вода хорошо поглощает инфракрасный свет, он может излучаться только
из тонкого верхнего слоя океана.

Морская поверхность является термодинамически неравно-
весной структурой, поскольку испарение воды и инфракрасное
излучение в атмосферу охлаждают на 0,5-1,0° поверхностный слой
в 100-300 мкм. В результате на поверхности океана образуется тон-
кая «холодная пленка». В возникающем значительном градиенте
температуры могут происходить термодиффузионные процессы
разделения ионов и органики, могут формироваться регулярные
динамические структуры (колебательные и волновые).

Физико-химические предпосылки возникновения жизни

В настоящей статье мы будем говорить о спонтанных при-
родных физико-химических процессах, которые могли бы привес-
ти к возникновению предшественников живых клеток. Именно
предшественников, а не самих живых клеток. Нам придется обра-
титься к идеям 70-30-летней давности относительно процессов
еще более далеких, по-видимому, имевших место на Земле более
3-х млрд, лет назад. Речь пойдет не столько о «биохимическом
предопределении» появления живого, но о более раннем, базовом
«физико-химическом, геофизическом предопределении».

Опубликованная в 1924 г. книга А.И. Опарина (1894-1880) «Возник-
новение жизни на Земле» стимулировала интерес ученых к проблемам про-
исхождения жизни и абиогенного синтеза [3]. Проблемами абиогенного син-
теза занимался академик А.Н. Бах (1857-1946), сотрудникам которого
удалось показать, что в реакциях формальдегида с цианидом могут образо-
вываться аминокислоты, которые затем конденсируются с образованием оли-
го- и полипептидов. Но особенно успешными были серии экспериментов,
проведенные в начале 1950-х гг. С.Л. Миллером (р. 1930), бывшим тогда ас-
пирантом известного ученого Г.К. Юри (1893—1981, Нобелевская премия
1934 г. за открытие дейтерия).

В первых экспериментах Миллера при коронном электрическом разря-
де в смеси газов NH3, Н2, СН4 и насыщенного водяного пара (имитировавшей
древнюю атмосферу), продолжавшихся несколько дней, образовывались
аминокислоты и некоторые другие органические соединения, характерные
для современных организмов. Эти эксперименты затем многократно и ус-
пешно повторены в разных лабораториях.

При вариациях химического состава смеси (добавлении HCN, фор-
мальдегида, H2S и т.д.) и замене электрического разряда на ультрафиолет или
тепловое воздействие удалось получить не только аминокислоты, но и неко-
торые нуклеиновые основания, порфирины, сахара, компоненты липидов. К
настоящему времени практически все основные биологически важные орга-
нические соединения были получены в лабораторных экспериментах, моде-
лирующих условия, существовавшие около 4 млрд, лет назад в различных
местах на Земле.

Живая природа использовала все размерности окружающего нас
реального физического мира. К точечным компонентам живого, крайне
малым по сравнению с размерами организмов или клеток, можно отне-
сти, например, неорганические ионы и молекулы воды. К одномерным
(линейным) компонентам следует отнести неразветвленные полимеры
— белки и нуклеиновые кислоты. К двумерным — мембраны, к трех-
мерным — объемные образования — клетки и органеллы, формируемые
компонентами более низких размерностей.

Предварительно рассмотрим несколько соображений общего ха-
рактера. Далее будут изложены экспериментальные данные относитель-
но формирования прототипов клеток в природных условиях.

Основными постулатами будем считать следующие:

1.	Период “абиогенной молекулярной эволюции” обеспечил необходимыми
органическими веществами процесс самоорганизации протоклеток.

2.	Начальные стадии предбиологической эволюции происходили в “пер-
вичном бульоне” в эстуариях древнего океана, ионный состав которого с
тех пор существенно не изменился.

3.	Дискретность живых организмов обусловлена требованиями эволюции
и естественного отбора. В водной среде обособленность образований, со-
держащих водорастворимые ингредиенты, обеспечивается гидрофобны-
ми оболочками — мембранами.

4.	Протоклетка должна обладать определенным запасом свободной энер-
гии для создания систем реагирования и регуляции нарождающегося
метаболизма. В морской воде естественными претендентами на роль ре-
гуляторов (специфических, осмотических, электрических) являются не-
органические ионы.

5.	Классические схемы возникновения ионной несимметрии основаны на
избирательной адсорбции некоторых ионов морской воды (например, К+
или Са2+), их концентрировании ионообменниками — алюмосиликата-
ми, кварцем или же коацерватами. Они неприемлемы, поскольку пере-
распределение ионов морской воды в данном случае завершается термо-
динамическим равновесием — нет запаса свободной энергии.
“Предрасположенность” ряда адсорбентов к калию или кальцию суще-
ственна для процессов регуляции. “Игра” природы “на поле катионов”
связана с преимущественно полианионной природой биомакромолекул.

6.	Принципиальной характеристикой перераспределения неорганических
ионов между первичными клетками и морской водой должно быть при-
близительное осмотическое равенство при отсутствии термодинами-
ческого равновесия. Простейший вариант определен естественными при-
чинами — протоклетка обогащается ионами, которых мало в морской
воде, взамен тех, которых там много. Концентрации активных осмоти-
ческих частиц внутри и снаружи примерно равны, но вместе с ионной
асимметрией в системе появляется запас свободной энергии.

7.	В условиях неспецифического синтеза органических хиральных соеди-
нений образуется их рацемическая смесь, что заведомо не соответствует
особенностям живых систем.

Должна ли была природа «ждать» биологической эволюции или
могла «приступить» к фракционированию рацематов на предбиологиче-
ской стадии?

Естественен вопрос: существует ли природная система, в которой
возможно возникновение обособленных структур — везикул, образованных
амфифильными поверхностно-активными веществами. При этом везикулы
должны содержать электролит, инвертированный по ионному составу по
отношению к морской воде, и смесь абиогенно возникших хиральных соеди-
нений с выраженным изменением соотношения исходных L— и D—
компонентов в их смесях.

Когда же, где и в результате каких естественных процессов могла поя-
виться жизнь на Земле?

Рассказывают, что ученики А.И. Опарина — классика, основателя
коацерватной гипотезы происхождения жизни — на семинарах, показывая в
сторону своего немолодого уже учителя, утверждали, что «по свидетельству
очевидцев жизнь на Земле зародилась в эстуариях мирового океана».
Действительно, имеется много подтверждений этой точки зрения, и мы ее
придерживаемся.

По современным данным вода начала конденсироваться на поверхно-
сти Земли около 4 млрд, лет назад. В это время образовывались и исчезали
т.н. «дарвиновские лужи» — водоемы с горячей водой, насыщенной мине-
ральными соединениями. Поверхность Земли подвергалась интенсивной
бомбардировке метеоритами, которая завершилась около 3,8 млрд, лет назад.
Атмосфера имела восстановительный характер, свободного кислорода в ней
практически не было. Интенсивность гроз была очень высокой, что создава-
ло необходимые условия для абиогенного синтеза органических соединений.
Кроме того, аминокислоты, пуриновые и пиримидиновые основания, порфи-
рины, различные углеводороды и производные этих соединений, содержа-
щие кислород, азот, серу, фосфор, в огромных количествах выбрасываются
вулканами. Поэтому можно считать, что уже в самом начале геологической
эволюции Земли разнообразных органических соединений на ней было дос-
таточно для протекания химической эволюции, приведшей к появлению жи-
вых систем.

Все современные организмы построены на основе клеток — дискрет-
ных единиц живого. Поскольку клеточная мембрана есть у всех клеток, ее
образование в ходе эволюции представляет собой необходимую стадию
формирования предшественников клетки.

По палеонтологическим данным первые прокариоты, образовывавшие
строматолиты — биогенные слоистые породы, представляющие собой ока-
меневшие сообщества цианобактерий — существовали уже 3,5 млрд, лет на-
зад. По данным изотопного анализа углерода первые автотрофы появились
около 3,8 млрд, лет назад.

Обычно считается, что для случайного образования клетки не хватило
бы времени жизни вселенной. Однако, по другим оценкам, прокариоты мог-
ли появиться из «первичного бульона» — растворов абиогенно синтезиро-
ванных органических соединений — за времена, не превышающие 10 млн.
лет. В любом случае, первые клеточные формы жизни сформировались из
неклеточных форм за время не более 300 млн. лет — очень короткий срок по
геологическим меркам.

Мы упоминали о классических исследованиях А.И. Опарина,
Дж.Б.С. Холдейна, Дж.Д. Бернала, С. Фокса и их последователей, посвящен-
ных моделям происхождения предшественников клеток, или протоклеток. В
оригинальных работах этих и других авторов специально подчеркивается,
что коацерваты Опарина, протеиноиды Фокса, маригранулы Эгами и т.д. в
определенных условиях покрываются оболочкой, напоминающей клеточную
мембрану. Однако существенно, что все предложенные ранее модели про-
токлеток исходно строились как равновесные. Живые системы — не-
равновесны [1,5].

Коацерватная теория происхождения предшественников клеток пред-
полагала, что агрегаты абиогенно возникших органических молекул — коа-
церваты — способны избирательно адсорбировать неорганические ионы
морской воды, например, калий. Это умозрительное предположение имеет
вполне реальную основу: современные органические ионообменники-
катиониты способны с высокой селективностью связывать неорганические
катионы. Вместе с тем, и природные неорганические адсорбенты глины-
алюмосиликаты обладают способностью избирательно связывать катионы.
Однако, процесс адсорбции ведет к насыщению, равновесию, а равновесные
системы не способны к реагированию на внешние возмущения, в частности,
на механические, температурные, химические, электрические, кроме как
смещением к новому равновесию. Активный регуляторный ответ возможен
исключительно в исходно неравновесной системе (в нынешних живых сис-
темах — это, к примеру, реакция возбудимых клеток, основанная на пере-
распределении ионов между цитоплазмой и внешней средой).

К приведенным рассуждениям примыкает соображение, высказанное
Дж. Берналом, относительно преимущественного синтеза одного из энан-
тиомеров хиральных молекул на поверхности оптически активных кристал-
лов, например, шпатов, кварца. Подобный энантиомер-селективный поверх-
ностный катализ, в принципе, представить можно, однако его должна
сменять энергоакцепторная стадия десорбции молекул. Таким образом, опять
встает вопрос о включении в процесс внешнего источника энергии, периоди-
чески подключающегося.

Хотя образование упомянутых структур происходит в неравновесных
условиях, сами они представляют собой равновесные системы. Этим они ко-
ренным образом отличаются от живых клеток, которые находятся в состоя-
нии устойчивого неравновесия, постоянного обмена веществом с окружаю-
щей средой. Скорее всего, предшественники клеток образовались в условиях,
исходно обеспечивших их исходную неравновесность, которая затем закре-
пилась уже в ходе биологической эволюции.

Помимо обмена веществ, как мы уже говорили, неравновесность кле-
ток характеризуется двумя важнейшими асимметриями. Речь идет о распре-
делении ионов щелочных и щелочноземельных металлов и «хиральной чис-
тоте» биологических систем. В цитоплазме живых клеток концентрация
ионов калия выше концентрации ионов натрия в 10—30 раз, а в окружающей
среде — морской воде или межклеточной жидкости — соотношение концен-
траций этих ионов обратное. Такое распределение ионов приводит к возник-
новению разности электрических потенциалов на мембране, или трансмем-
бранного потенциала. На поддержание ионной асимметрии клетка тратит до
одной трети своих энергетических запасов. Это означает, что такая асиммет-
рия и соответствующий ей трансмембранный потенциал играют очень важ-
ную роль в жизни клетки. Действительно, постоянство химического состава
внутренней среды клетки обеспечивает оптимальные условия для процессов
метаболизма в ней в конкретных условиях.

По-видимому, ионная асимметрия между клеткой и средой уже на са-
мых ранних стадиях добиологической эволюции обеспечивала существенное
эволюционное преимущество протоклеткам, ею обладавшим. За счет ионной
асимметрии создавался запас свободной энергии, необходимый для осущест-
вления энергоемких внутриклеточных процессов, сопряженных процессов
переноса веществ через мембраны. Кроме того, она могла играть и информа-
ционную, сигнальную роль, поскольку нарушение целостности мембраны
протоклетки сразу обнаруживалось по возникавшим при этом ионным токам.

Ионы натрия и калия были выбраны природой для создания асиммет-
ричной ионной системы по той простой причине, что это самые распростра-
ненные ионы морской воды и поэтому их концентрации могут быть доста-
точно высокими, чтобы обеспечить необходимую мощность источника
свободной энергии. Кроме того, перераспределение ионов натрия и калия
между клеткой и средой не приводит к дополнительным осмотическим на-
грузкам на мембрану при сохранении постоянной их суммарной концентра-
ции.

Гипотетический сценарий происхоящения предшественников кле-
ток

Прямые наблюдения показали, что холодная пленка на водной поверх-
ности действительно существует. Она устойчива и при разрушении восста-
навливается за доли секунды. Перепад температуры в ней на первый взгляд
невелик — 0,5—1,0 К. Но если учесть, что этот перепад приходится на слой
толщиной около 0,5 мм, то средний градиент температуры будет не менее
1000 К-м-1, а в самом верхнем слое он может быть значительно выше.

В тонком поверхностном слое концентрация солей выше, чем в воде на
глубине, поскольку соли не испаряются вместе с водой. Разные ионы имеют
разные коэффициенты диффузии, поэтому в неравновесном поверхностном
слое океана соотношение их концентраций может отличаться от соотноше-
ния концентраций на глубине.

Неравномерность распределения ионов между поверхностным и глу-
бинным (более 0,5 м) слоями характеризуют коэффициентом фракциониро-
IKSJ-l JNab I

вания: af =  -——-, где [K]s, [Na]s — молярные концентрации ионов ка-

[№.][кь]

лия и натрия в поверхностном слое морской воды, [K]b, [Na]b — молярные
концентрации ионов калия и натрия в объемной фазе морской воды. Такой
же коэффициент фракционирования можно использовать для описания
асимметрии распределения ионов между клеткой и окружающей средой, но
тогда индексы s иЪ относятся к внутри- и внеклеточной средам соответст-
венно. Для большинства клеток коэффициент разделения ионов калия и на-
трия равен 50-100.

Мы исследовали состав поверхностной пленки в Белом, Черном, Кас-
пийском и Японском морях [5, 8]. По понятным причинам, там, где влаж-
ность близка к абсолютной, и испарение минимально (это Белое море, уни-
верситетская биостанция на Полярном круге) холодная пленка практически
отсутствует и фракционирование ионов незначительно. Противоположная
ситуация отмечена на Каспийском море: температура высока, воздух сух, ис-
парение воды значительно, холодная пленка контрастна, фракционирование
максимально.

Инвертированность ионного состава холодной пленки наиболее ярко
проявляется при образовании «пленочных» микробрызг, возникающих при
разрыве пузырей воздуха, поднимающихся на поверхность морской воды
(рис. 17.3). Более тяжелые «реактивные» капли, как правило, падают обрат-
но. Поведение пленочных микробрызг, обогащенных калием и кальцием и
имеющих размеры, сравнимые с клеточными (примерно 100 мкм), более
сложно. Частично с их участием формируются облака.

В табл. 17.1 приведены коэффициенты фракционирования в поверхно-
стных слоях различных морей в естественных условиях. Легко видеть, что
его величина прямо связана со степенью неравновесности системы: при вы-
сокой влажности холодная пленка практически отсутствует (Белое море) и
фракционирование незначительно, при сухом воздухе (Каспийское море) ис-
парение интенсивно и фракционирование максимально.
Рис. 17.3. Механизм образования аэрозоля при барботировании поверхности рас-
твора. Последовательные стадии разрушения пузырька на поверхности отмечены
цифрами от 1 до 4; а — пленочные капли, b — реактивные капли.

Воспроизведение наблюдений в лабораторных условиях показало, что
неравновесное распределение ионов в тонком поверхностном слое раствора
сопровождается возникновением в нем разности электрических потенциалов
около 5 мВ. Существенно, что в отсутствие испарения ни фракционирования
ионов, ни разности потенциалов не возникало.

Таблица 17.1. Коэффициент фракционирования («0 ионов
калия и натрия в поверхностном слое толщиной 0,05 мм в разных морях.

Море	
Белое море	2,5
Черное море	7,0
Каспийское море	9,8
Японское море	2,4

Обнаруженные эффекты фракционирования ионов не могут быть
объяснены только на уровне простых моделей термодиффузии. Хотя известно,
что более тяжелые частицы концентрируются в холодной зоне
температурного градиента (дегидратированные ионы калия и кальция имеют
более высокую атомную массу по сравнению с натрием и магнием),
термодиффузионная модель недостаточна для описания высокой степени
фракционирования ионов, наблюдаемой в эксперименте. Математическое
моделирование процессов на границе раздела электролит-воздух с учетом
разных типов конвекции при тепломассообмене между фазами остается
сложной и, на настоящий момент, окончательно нерешенной задачей.

Особенностью полученных нами результатов является то, что полу-
ченные в экспериментах значения коэффициентов фракционирования значи-
тельно превосходят теоретические предсказания. Равновесные и линейные
неравновесные модели, с учетом поверхностной адсорбции и термодиффузии
ионов, дают его значения на порядок меньшие наблюдаемых. По-видимому,
требуется учет нелинейных эффектов, в частности конвективных потоков.

Около 50 лет назад Р.Дж. Голдэйкр обратил внимание на то, что час-
тицы морских аэрозолей, образующихся при разрушении волн, лопании воз-
душных пузырьков у поверхности воды и т.п., имеют размеры клеток, и
предположил, что они могли играть какую-то роль в процессах предбиологи-
ческой эволюции. Наши эксперименты показали, что солевой состав пленоч-
ных капель соответствует солевому составу тонкого поверхностного слоя
океана в том месте, где они образовались. Это означает, что аэрозоль содер-
жит относительно больше ионов калия, чем морская вода, и меньше натрия
(облака с наибольшим содержанием калия формируются над Красным мо-
рем). Размеры этих капель — от 1 до 10 мкм — вполне соответствуют ожи-
даемым размерам предшественников клетки. Подхваченные воздушными по-
токами пленочные капли могут находиться в атмосфере до трех лет и за это
время побывать в разных климатических зонах — от полярных до экватори-
альных.

Амфифильные соединения, к которым относятся и фосфолипиды, об-
ладают поверхностной активностью, т.е. концентрируются на границе разде-
ла океан-атмосфера. Это приводит к тому, что и поверхность аэрозольных
капель оказывается покрытой монослоем амфифила. По мере испарения во-
ды, монослой конденсируется, становится плотным и затрудняет дальнейшее
усыхание капли. Длительное путешествие аэрозольной капли в верхних сло-
ях атмосферы создает благоприятные условия для синтеза некоторых орга-
нических соединений, в частности, жирных кислот.

При падении аэрозольной частицы обратно на поверхность воды, она
формирует второй слой молекул амфифила, например, фосфолипида, и ока-
зывается покрытой уже бислойной мембраной. Поскольку молекулы второго
слоя обращены наружу своими полярными участками, такая везикула легко
погружается в воду. Отдельные стадии описанного процесса показаны на
рис. 17.4.

Таким образом, существует естественный процесс, который приводит
к формированию относительно стабильных везикул, покрытых бислойной
(липидной) мембраной, имеющих клеточные размеры и солевой состав, ин-
вертированный по одновалентным катионам по отношению к морской воде.
Одно это выдвигает такие везикулы в число кандидатов на роль предшест-
венников клеток.

Но оказалось, что неравновесный поверхностный слой водного рас-
твора обладает еще одним удивительным свойством, экспериментально об-
наруженным в лабораторных условиях: аэрозольные капли, полученные из
растворов рацемических смесей аминокислот, были обогащены L-
энантиомером соответствующей аминокислоты по сравнению с ее D-
энантиомером. Преобладание одного из энантиомеров в смеси характеризу-
ют коэффициентом хиральной асимметрии т/ =	(в квадратных скоб-

ках — концентрации соответствующих энантиомеров). В экспериментах с
растворами валина, лейцина и глютамина были получены значения г] в диа-
пазоне от 0 до 0,05, причем фракционирование энантиомеров зависело от
степени неравновесности поверхностного слоя и исчезало в равновесных ус-
ловиях.

Рис. 17.4. Стадии образования бислойной липидной везикулы при падении капли
аэрозоля на поверхность океана: 1 — капля аэрозоля, покрытая разреженным моно-
слоем амфифила; 2 — конденсация монослоя амфифила при испарении капли; 3 —
"одевание" капли вторым монослоем при падении на поверхность океана; 4 —
сформировавшаяся везикула.

Эти данные были получены с помощью ЯМР. В последнее время был
разработан новый метод определения фракционирования энантиомеров хи-
ральных соединений, основанный на особенностях отражения мощного ла-
зерного излучения (т.н. генерация второй оптической гармоники) от поверх-
ности раствора. Эксперименты с использованием этого метода также под-
тверждают наличие фракционирования энантиомеров аминокислот и сахаров
на неравновесной границе раздела раствор-воздух.

Что касается механизмов фракционирования энантиомеров
аминокислот, то самые общие соображения о разделении хиральных молекул
в комбинированных гравитационных, магнитных, электрических полях в
сочетании с конвекцией приведены в работах В.А. Аветисова, В.И. Гольдан-
ского и В.В. Кузьмина [7]. Ниже приведена табл. 17.2, заимствованная из этой
публикации. Сами авторы придерживаются точки зрения, согласно которой
дискриминация энантиомеров в рацемате аминокислот связана с
неодинаковой кинетикой образования гомохиральных и гетерохиральных
полипептидных цепей, а инициация «преимущества» для одного из
энантиомеров вызвана какой-либо флуктуацией.

Таблица 17.2. Физические факторы фракционирования хиральных соединений.

Типы факторов	Возможный эффект	Условный кинетический фактор
		
Статическое магнитное поле.	Нет	
Статическое электрическое поле	Нет	
Гравитационное поле	Нет	
Постоянное электрическое + постоянное магнитное поле	Нет	
Вращение + гравитационное поле	Нет	
Постоянное магнитное + гравитационное поле	Нет	
Циркулярно поляризованный свет	Да	ПГ4- 10‘2
Вращение + постоянное магнитное + постоянное электрическое поле	Да	<10^
Вращение + постоянное магнитное + гравитационное поле	Да	^кг4
Постоянное магнитное поле + линейно поляризованный свет	Да	^кг4
Глобальные физические факторы на уровне внутриядерных взаимодействий и элементарных частиц		10‘у- 10‘17

(Avetisov V.A., Goldanski V.I., Kuz’min V.V. Handedness, origin of life and evolution,
Physics Today, 1991, July, p.33 - 41)

Для разделения смеси энантиомеров достаточно воздействия
некоторых физических факторов, например, циркулярно поляризованного
света, или комбинации конвекции с постоянным магнитным полем плюс
постоянное электрическое или гравитационное поле. Возможны комбинации
постоянного магнитного поля и линейно поляризованного света и т.п.
Поскольку наши эксперименты проводились в темноте, действие света
можно не учитывать. Однако постоянное электрическое поле на границе
раздела фаз всегда существует, как и постоянное магнитное поле. При
испарении воды возникают конвекционные потоки — «вращение». Таким
образом, необходимый набор дифференцирующих хиральные молекулы
факторов на границе океан-атмосфера имеется.

Напомним^ что в эксперименту в равновесных условиях, когда не
происходит испарения врдъ^ холодная пленка не формируется и
фракриониррвания ионов и энанпшрмеррв не происходит.

Обнаруженное фракционирование энантиомеров невелико, но его
вполне достаточно для реализации эволюционного преимущества гомохи-
ральности определенного типа при образовании полипептидов и полинук-
леотидов. Фактором отбора энантиомеров в поверхностном слое может быть
влияние собственного электрического поля тонкого поверхностного слоя в
совокупности с геомагнитным полем Земли на формирование ассоциатов мо-
лекул аминокислот.

Таким образом, установлено, что, когда на поверхности раствора
находится разреженный монослой фосфолипидов, при разрыве на ней
пузырьков воздуха образуются липидные везикулы, захватывающие раствор
из поверхностного слоя, обогащенный ионами калия и кальция и L-
аминокислотами (рис. 17.4). Подобные образования могут рассматриваться
как прототипы клеток, способные служить объектами отбора в процессе
биологической эволюции. Эта идея неоднократно обсуждалась в литературе,
однако, вне связи с ионной и хиральной асимметрией.

Отметим еще один замечательный факт, касающийся сопряженности
возникновения ионной и хиральной асимметрий в пенах, образуемых
поверхностно-активными веществами (ПАВ). Молекулы ПАВ
адсорбируются на поверхности раствора, образуя монослой. При
барботировании такого раствора на его поверхности образуется пена,
захватывающая тонкие поверхностные слои (ТПС) разделов фаз
раствор-воздух, находящиеся на свободной поверхности раствора и на
поверхности газового пузырька. Поскольку монослой ПАВ на поверхности
раствора не плотный, скорость испарения воды в его присутствии изменяется
незначительно, и можно было ожидать, что в пенах также будет наблюдаться
фракционирование ионов и стереоизомеров аминокислот.

Это предположение было проверено и подтверждено нами
экспериментально. Обнаружена прямая зависимость хиральной поляризации
от содержания ионов калия или натрия. Невольно напрашиваются
воспоминания о жидких калиевых мылах и твердых — натриевых.
Качественно полученный результат можно объяснить следующим образом. В
равновесных условиях хиральная поляризация всегда отсутствует. В
неравновесных системах возможны ситуации, когда за счет кинетических
ограничений возникают стационарные состояния с ненулевой хиральной
поляризацией.

Иерархии хиральных структур белков и ДНК

Далее необходимо ответить на кардинальный вопрос: «Зачем
биологическая эволюция выбрала и закрепила повсеместно принцип
гомохиральной основы всех четырех типов биомакромолекул?». Ответ таков
— «Для создания иерархий хирально знакопеременных внутри — и
надмолекулярных структур в белках и нуклеиновых кислотах, что позволяет
им функционировать как молекулярным машинам».

В макромолекулярных системах нуклеиновых кислот и белков
авторами впервые были выделены как целое, как хиральные инварианты
молекулярной биологии знакопеременные иерархии хиральных структур в
последовательностях от «нижнего» ассиметричного атома углерода в
sp3-гибридизации до суперспиралей и надмолекулярных структур. У
белков последовательность смены знака хиральности в структурно-
функциональной иерархии структур подобна той, что мы наблюдаем для
ДНК: L-D-L-D [9].

Как видно из рис. 17.5 между столбцами схемы для ДНК и белков
наблюдается сдвиг на половину периода, поскольку белковая иерархия
«стартует» с L-амино кислот, а нуклеотидная — с D-углевода
дезоксирибозы. Относительно «мира РНК», который является приводным
механизмом в предложенной схеме, мы выскажем соображения ниже при
обсуждении взаимодействия белков и нуклеиновых кислот. Примером
взаимодействия хиральных структур в ДНК-белковых системах является
«лейциновая молния». При связывании двух параллельных а-спиралей на
уровне третичной структуры образуется левоспиральный димер, подобный
застёжке-молнии, который взаимодействует с правозакрученной ДНК также
на уровне третичной структуры.

В целом, развиваемый подход можно охарактеризовать как одно из
направлений геометризации теоретической биологии, подобное
методическим приёмам теоретической физики. Так, представленная на
рис. 17.5 периодическая таблица хиральных первичных-четвертичных
структур ДНК и белков в целом составляет ахиральный инвариант —
симметрическое ядро молекулярной биологии (имеется центральная ось
симметрии). Речь, в основном, идёт о тенденции чередования знака
хиральности в иерархических структурах макромолекул, а не о жестких
правилах, отклонения от которых могут быть вызваны целым рядом причин,
связанных, в частности, со стереохимическими ограничениями. Следует
особо подчеркнуть, что образование знакопеременных хиральных иерархий
— общая закономерность структурообразования и в неживой и в живой
природе [10].

Рис. 17.5. Периодическая таблица знакопеременных иерархий хиральных (спираль-
ных) структур от первичной до четвертичной для ДНК (левая колонка) и белков
(правая колонка): L — левая конфигурация энантиомера или спирали, D — правая.

Известно, что белки — линейные полимеры, сложенные, как правило,
из остатков L-аминокислот, которые скручиваются в «правые» а-спирали —
вторичные структуры, далее сворачиваются в «левые» суперспирали, и
четвертичные структуры белков собираются из самостоятельных молекул и
образуют «правые» структуры — это процесс складывания первичной
аминокислотной цепочки белков в иерархическую конструкцию. Иерархия
структур белков (L-D-L-D) характеризуются сменой типов симметрии,
увеличением масштабов и чередованием знаков хиральности, определяющих
их физические особенности и молекулярно-биологические функции.
Самой распространенной вторичной структурой белков является
правая а-спираль. Ввиду стерических препятствий между атомами боковой
цепи и карбонильным фрагментом основной цепи а-спирали, состоящие из
L-аминокислот, энергетически более предпочтительны в правой
конформации, чем в левой. Большинство левых а-спиралей очень короткие
(4 аминокислотных остатка), и многие из них важны для стабильности белка,
связывания лиганда или как часть активного сайта белка. Спирали Зю
образуют 15%-20% всех белковых спиралей с характерной длиной спирали
3-5 аминокислотных остатков. Часто этот тип спиралей локализуется на
концах регулярных а-спиралей. л-Спирали эволюционно связаны с а-
спиралями в результате исключения или добавления отдельных остатков.
Поскольку изменение численности аминокислот в а-спирали являются
дестабилизирующим фактором, образование л-спиралей обусловлено
обеспечением какое-либо функционального преимущества для белка.
Поэтому л-спирали обычно находятся рядом с функциональными сайтами
белков.

Альфа-спиральные суперспирали (coiled coil) являются одним из
наиболее часто встречающихся белковых мотивов и универсальными
белковыми структурами, отвечающими за широкий спектр биологических
функций. Суперспирализация возникает в результате точного повторения
коротких последовательностей, определяющих периодические колебания
длин водородных связей основной цепи. С увеличением количества спиралей
возрастает гидрофобная граница раздела, что улучшает защиту ядра и дает
больше возможностей для полярных и ионных взаимодействий.

В гомохиральной по аминокислотному составу полипептидной цепи а-
спирали возникают в тех локусах первичной структуры, где имеются
аминокислоты, способные под влиянием пространственной конфигурации
молекулы на ход химической реакции уложиться в а-спираль и образовать
водородные связи. Вторичные а-спиральные структуры стабилизируются
водородными связями между аминокислотными остатками (энтальпия), а
изменение энтропийного члена свободной энергии связано со сменой
симметрии при изменении знака хиральности вторичных структур.
Формирование а-спирали начинается в рибосоме из полипептидной цепочки
белков — термодинамически неравновесной системы с распределенным по
всей длине ресурсом. Распределенный ресурс свободной энергии, запасенной
в левой гомохиральной полипептидной цепи аминокислот, способен
реализоваться при в ходе формирования следующего уровня структурной
иерархии — правой спирали. В ходе самоорганизации гомохиральные
системы, обладающие запасом свободной энергии, способны эволюцио-
нировать в пределах одного иерархического уровня, сохраняя тип симметрии
и знак преобладающей хиральности, а после прохождении точек бифуркации
способны формировать новые иерархические уровни с чередующимся знаком
хиральности. Поэтому полипептидную цепочку белков можно рассматривать
в качестве одномерной активной среды с распределенным ресурсом
свободной энергии, а, начиная с уровня образования а-спирали, — в качестве
3-хмерной распределенной активной среды — следующего уровня иерархии
[И].

Заключение

В настоящем пособии затрагивается не только кардинальный вопрос
относительно путей происхождения гомохиральных молекулярных
сообществ в биосфере Земли, но обосновывается их эволюционная
«целесообразность».

Хиральный дуализм является фундаментальной основой
структурообразования в молекулярной биологии, а хиральность
названных соединений — аминокислот, рибозы и дезоксирибозы — есть
важнейший инструмент иерархической стратификации внутримолеку-
лярных и надмолекулярных структурных уровней, а также специфич-
ности межмолекулярных взаимодействий.

Система хиральных соответствий составляет «периодическую
таблицу» в молекулярной биологии, а свойство знакопеременной
хиральной периодичности в структурных иерархиях распространяется
от физико-химического уровня в неживых системах до молекулярно-
биологического и в некоторых проявлениях выше — до уровней клеточной
и организменной организации. При этом каждому уровню и каждой
системе может быть присуща различная физико-химическая природа
самоорганизации.

Суммируя некоторые положения развиваемой авторами гипотезы
относительно роли сопряженного возникновения ионной и хиральной
асимметрий в происхождении предшественников живых клеток, отметим:

1.	Перераспределение ионов и энантиомеров хиральных соединений
между объемной фазой и неравновесным тонким поверхностным
слоем морской воды соответствует характерным для живых систем
ионной и хиральной асимметриям и фиксируется при образовании
аэрозоля. Ионная и хиральная асимметрии между тонким
поверхностным слоем и объемной фазой раствора сформировались не
независимо. Обогащение неравновесного тонкого поверхностного слоя
раствора ионами калия способствовало увеличению его хиральной
поляризации (в т.ч. в пенах). Периодические процессы в гетерогенных
системах приводили к параметрическому разделению ионов и
органических молекул.

2.	Формирование замкнутых липидных везикул из аэрозольных капель
могло привести к возникновению предшественников клеток. Будучи
достаточно стабильными, они включали в себя абиогенно образовав-
шиеся биологически важные молекулы и их комплексы, которые мог-
ли эволюционировать до тех пор независимо. Предшественники клет-
ки могли обеспечивать захваченным биомолекулярным комплексам
хирально чистую среду с подходящим ионным составом, что могло да-
вать таким комплексам существенное эволюционное преимущество.

3.	В живых клетках избирательность ион-транспортных систем
обеспечивается гомохиральностью аминокислотных остатков белков.

P.S. И теперь — относительно двух широко известных и очень
давних гипотезах о происхождении Жизни. В них можно увидеть оп-
ределенные аналогии с обсуждавшимися нами гипотезами и их взаи-
модополняемость.

Одна библейская — Бог создал человека из глины. Мы говори-
ли ранее относительно адсорбентов — глин-алюмосиликатов, яв-
ляющихся ионообменниками с повышенным сродством к калию. При
адсорбционном насыщении система равновесна. По этой причине
библейская гипотеза представляется вполне приемлемой, хотя фор-
мально ограничивается термодинамически равновесным случаем.
Однако, они же, глины, могли быть катализаторами простых орга-
нических реакций. Па этой стадии предбиологической эволюции
могло начаться «привыкание» первичного метаболизма к калиевой
среде. Как только мы переходим от равновесной адсорбции к катали-
зу, то в этом аспекте система может рассматриваться только как не-
равновесная.

Другая гипотеза — эллинская — об Афродите, которая вышла
из пены морской. Собственно, этот случай мы и рассматривали, ко-
гда говорили о поверхностно-активных веществах, брызгах, пенах и
везикулах. Поэтому древнегреческая гипотеза представляется вполне
адекватной рассматриваемой проблеме и действительно отражает
термодинамически неравновесный случай. Эта гипотеза не отрицает
первую, но в нашем рассмотрении дополняет ее.

Литература

1.	Твердислов В.А., Сидорова А.Э., Яковенко Л.В. Биофизическая экология.
Монография. М.: УРСС КРАСАНДР, 2011, 544 с.

2.	Чернавский Д.С. Проблемы происхождения жизни и мышления с точки зре-
ния современной физики. УФН. 2000, т. 170, №2, с. 157-183

3.	Oparin A.I. The Origin of Life on the Earth, Academic Press, Inc., New York,
1957. А.И.Опарин. Жизнь как форма движения материи, Изд. АН СССР, М.,
1963, 48 с.

4.	Б. Албертс, Д. Брей, Дж. Льюис, М. Рэфф Молекулярная биология клетки, в
4-х томах, "Мир", М., 1994

5.	Твердислов В.А., Яковенко Л.В. Физические аспекты возникновения пред-
шественников живой клетки. О двух фундаментальных асимметриях - ион-
ной и хиральной. // Вестник Московского университета. Серия 3. Физика.
Астрономия. 2008. № 3, с. 3-16.

6.	Гутина В.Н., Кузьмин В.В.Теория молекулярной диссимметрии Л.Пастера,
“Наука”, М. 1990,215 с.

7.	Аветисов В.А., Гольданский В.И. Физические аспекты нарушения зеркаль-
ной симметрии биоорганического мира, Успехи физич. наук. 1996, т. 166,
№8, с. 873-891.

8.	Яковенко Л.В., Твердислов В.А. Поверхность Мирового океана и физиче-
ские механизмы предбиологической эволюции. Биофизика. 2003, т. 48, № 6,
с. 1137-1146.

9.	Твердислов В.А. Хиральность как первичный переключатель иерархических
уровней в молекулярно-биологических системах. // Биофизика. 2013. 58.
№ 1.С. 159-164.

10.	Твердислов В.А., Малышко Е.В. О закономерностях спонтанного формиро-
вания структурных иерархий в хиральных системах неживой и живой при-
роды. Успехи физических наук, 2019, т. 189, № 4, с. 375-385.

11.	Sidorova А.Е., Levashova N.T., Malyshko E.V., Tverdislov V.A. Autowave Self-
Organization in the Folding of Proteins. Moscow University Physics Bulletin,
2019, Vol. 74, No. 3, P. 213-226.
18.	Эволюция геобиосферы и основы эволюции
биологических систем

Коэвоюция гео- и биосферы

Первоначально Земля была достаточно однородной, и ее последующее
изменение происходило в ходе дифференциации исходного гомогенного
вещества на кору, мантию и ядро. Этот период, в течение которого
происходило формирование Земли как единого твердого тела, завершился
примерно 4,6 млрд, лет назад. В последующий период на Земле шли
активные геологические процессы, сформировавшие лито-, гидро- и
атмосферу.

К основным отличительным особенностям эволюции геобиосферы,
способствовавшим формированию условий для возникновения жизни на
Земле, относятсятся следующие [1]:

1.	Земная орбита близка к круговой, что обеспечивает почти
постоянное поступление количества тепла, исходящего от Солнца. Если бы
Земля была на 5% ближе к Солнцу, то температура на поверхности была бы
слишком высокой для существования воды в жидком состоянии. Если бы на
5% дальше от Солнца, то океаны замерзли бы, фотосинтез был бы
значительно ослаблен, и содержание атмосферного 02 сильно бы
сократилось.

2.	Если бы Земля была существенно массивнее, то силы гравитации,
скорее всего, препятствовали бы появлению высших форм жизни, а если
меньше, то Земля лишилась бы атмосферы под воздействием солнечного
ветра.

3.	Если бы Земля не имела достаточно мощного магнитного поля, то
космические лучи убили бы все формы жизни на ней.

4.	Если бы не было озонового слоя, фильтрующего и не допускающего
избыточную ультрафиолетовую радиацию, высшие формы жизни на Земле
не могли бы существовать.

5.	Если бы не было тектоники плит, то не произошла бы
дифференциация рельефа Земли и не сформировались бы континенты.

В геоэволюции протовещества дифференцировали на силикатную
оболочку и металлическое ядро Fe-Ni-сплава. Следует добавить, что в ходе
эволюции геосферы две ветви - силикатная и металлическая-сульфидная
развивались геохимически независимо. Убедительной гипотезой,
объясняющей фракционирование химических элементов в ходе расслоения
силикатной протооболочки Земли на современную мантию, земную кору,
гидросферу и атмосферу, является представление о плавлении и их
пространственном разделении в расплавах и остаточных твердых фазах. Этот
процесс сопровождался отделением газовой фазы. Таким образом, в
соответствие с физико-химическими особенностями распределения
конкретных химических элементов происходит их перераспределения между
твердой, жидкой и газовой фазами.

Формирование Мирового океана и образование атмосферы
происходило постепенно, в тесной связи с формированием земной коры. На
первобытной Земле основная масса воды находилась в связанном
гидратированными породами состоянии, и Мировой океан содержал менее
10% воды относительно современного объема. Остальные 90% образовались
позднее за счет выделения паров воды из внутренних слоев Земли, при этом
считается, что ионный состав Мирового океана на протяжении всей истории
Земли был относительно стабильным.

Атмосфера первобытной Земли принципиально отличалась от
современной. По существующим представлениям, атмосфера, в которой
возникала жизнь, имела восстановительный характер. Она была лишена
свободного кислорода, содержала главным образом водород и его соединения
(метан, аммиак, пары воды), в меньшем количестве - сероводород, азот,
двуокись углерода и благородные газы. Отсутствие свободного кислорода
имело принципиальное значение, поскольку простые органические вещества,
образующиеся в этот период, не могли бы сохраняться в присутствии
кислорода на протяжении времени, достаточного для возникновения более
сложных соединений. Образование современной атмосферы, содержащей
кислород, произошло значительно позднее и связано с жизнедеятельностью
фотосинтезирующих организмов.

Важной характеристикой самоорганизации в процессе коэволюции
абиогенной и биогенной сред является иерархия - принцип структурной
организации сложных многоуровневых систем, состоящий в упорядоченном
взаимодействии между упорядоченными уровнями в порядке от высшего к
низшему, причем иерархичность сочетается с автономией подсистем,
достаточной для их самоорганизации, определяющих устойчивость всей
системы геобиосферы. Именно так в ходе эволюции образовалась геосфера,
а затем и биосфера. Точками бифуркации в этой системе являются
образование геобиосферы (лито, атмо-, гидро и криосред) и на втором этапе -
биосферы. Эти подсистемы связаны коэволюционно, то есть системой
прямых обратных связей, сформировавшихся в процессе общей эволюции.

Для абиогенных и биогенных систем отмечается наличие
упорядоченной иерархической структуры (от атомов до макромолекул,
таксонов и биосферы и геобиосферы), направленная подвижность в процессе
преобразования энергии. Это открытые системы (развиваются за счет
энергии Солнца и недр Земли), способные к изменению и усложнению в ходе
самоорганизации. Эволюция биогенных систем - результат процесса их
взаимодействия (как части геобиосистемы) с геосистемой, поэтому живые
системы обнаруживают свойства, во многом характерные для абиогенных
систем.

На биологическую эволюции оказали значительной влияние
следующие геосферные факторы:

1.	Наличие 2-х ветвей цикла СО2 - Н2О - эндо- и экзогенного.
Эндогенный цикл определяется двумя процессами: СН4, СО2 и Н2,
выделившись из мантии в зонах образования новой океанической коры,
растворяются в морской воде и осаждаются; Мп и Fe образуют в осадочных
породах слои, в которых концентрируются остатки тиобактерий. Экзогенный
цикл формируется вулканическими газами (СН4, СО2, Н2О), которые,
образуясь в зонах наземного вулканизма, поступают в атмосферу, а затем в
виде осадков и водотоков реагируют с горными породами и выносятся в
океан, где осаждаются на шельфе в виде карбонатов и нерастворимых солей.
Мантийные процессы по периодичности делятся на периоды длительностью
150-180 млн. лет, связанные с изменением течений в мантии, и периоды
длительностью 30-34 млн. лет, связанные с вулканической деятельностью и
изменением рельефа. Несмотря на то, что содержание СО2 и Н2О в
экзогенном цикле примерно в 5 раз меньше, чем в эндогенном, период
экзогенного цикла намного больше периода эндогенного, поэтому оборот
общей массы СО2 и Н2О в обоих циклах сопоставим. Эндо- и экзогенные
процессы вызывают изменения в компонентах геосферы и климатические
колебания.

2.	Взаимосвязь колебаний содержания в атмосфере и гидросфере СО2 и
соответственное изменение pH в Мировом океане. Снижение содержания
СО2 вызывает рост pH и наоборот. Углекислота, образующаяся в результате
усиленной эмиссии СО2, меняет значение pH и соотношение ионов
углекислой и двууглекислой солей и, как следствие, насыщенность воды
углекислым кальцием. Дефицит строительного материала - карбонатных
частиц может нарушить карбонатный рециклинг, т.е. структуру вертикальных
потоков вещества в Мировом океане.

3.	Изменение глобальной солнечной активности, увеличение
концентрации кислорода в атмосфере и биохимический цикл газового обмена,
связанный с процессом фотосинтеза. Например, достижение критической
концентрации кислорода в атмосфере (около 2, 4 млрд, лет назад)
стимулировало появление эукариот и начало быстрого развития
многоклеточных организмов.

4.	Периодика изменений во всех подсистемах геобиосферы (прежде
всего в гидро-, криосфере и почво-грунтах) в значительной степени связана с
климатическими колебаниями. Эти колебания, в свою очередь, определяются,
природными процессами: внутренними (эндо-, экзогенными) и внешними (в
частности, положением Земли на гелиоцентрической орбите - циклы
Миланковича длительностью от 19 до 100 тыс. лет).

Если скорость климатических изменений значительно превышает
возможности биотической адаптации, то это влечет за собой повышение
вероятности возникновения экологических кризисов. Вместе с тем, в режиме
коэволюции развитие биосферы имеет траекторию развития, определяемую
внутренними параметрами, но в значительной степени модулируемую
внешними геологическими и климатическими факторами. Здесь мы должны
вновь обратиться к общим представлении о нелинейном поведении систем в
условиях, далеких от равновесия. Даже при постоянном, но надпороговом
давлении внешних факторов, система может реагировать скачкообразным
или колебательным режимом поведения. Нелинейность биотической реакции
на интенсивность климатических колебаний определяется гомеостазисом,
адаптивностью и устойчивостью экосистем, нивелирующей внешние воздей-
ствия. Незначительные климатические колебания могли способствовать
значительным биотическим изменениям, которые уже были подготовлены
процессом эволюции биосферы. А существенные климатические изменения
могли незначительно воздействовать на биотические компоненты (например,
оледенение в плейстоцене в целом слабо повлияло на биоту морей и оке-
анов): реакция биоты на климатические колебания определялась ее принад-
лежностью к континентальным или неконтинентальным водам и глубиной
обитания.

Химическая эволюция была первым этапом появления жизни на Земле,
в ходе которого в процессе самоорганизации органические вещества из
неорганических молекул под влиянием внешних и внутренних факторов
возникли простые органические вещества. Согласно классическим
представлениям [2-3], абиогенное возникновение органических мономеров
происходило по следующей схеме:

1.	Начальные стадии предбиологической эволюции происходили в
«первичном бульоне» в эстуариях древнего океана, ионный состав которого с
тех пор существенно не изменился. Дискретность живых организмов
обусловлена требованиями эволюции и естественного отбора.

2.	Образование биологических мономеров.

3.	Процесс коацервации.

4.	Формирование мембранных структур и пробионтов— предшествен-
ники современных клеток. Мономолекулярные слои, образующие мембрану,
состоят из однотипных строительных блоков.
5.	Появление метаболизма. С появлением эукариотической клетки
произошло усложнение метаболических каскадов. Отбор эффективных
комбинаций катализаторов.

6.	Образование биологических полимеров.

7.	Самовоспроизведение, сохранение и передача в поколениях
наследственной информации.

Ранние биохимические реакции проходили в восстановительной среде,
богатой ионами металлов-катализаторов. В ходе эволюция естественного
отбора химических элементов произошло замещение малодоступных
металлов на доступные для обменных процессов, усложнение
метаболических каскадов. Становление жизни на основе органического
вещества - следующий этап биологической эволюции. Схема Пири (рис. 18.1)
отражает главную бифуркацию, связанную с появлением Жизни на Земле
примерно через 800 млн. лет с момента её формирования [4]. На схеме
нижний конус (химическая эволюция) отражает разнообразие химических
элементов и неорганический фотосинтез в атмосфере. Верхний конус
(биологическая эволюция) - морфологическое разнообразие, в результате
которого сузился диапазон химических элементов, участвующих в
биохимических реакциях живых организмов.

Ось времени	—----	-	“

СО HNSCaPNACI Mg Fe Zn

Морфологическое разнообразие и химическое
единство

Первые ископаемые
остатки

Преобладание систем,
основанных iitt белках

и фосфорных
эфирах

Фаза морфологической
эволюции

Возникновение жизни в
общепринятом смысле слова

Установление биохимического
сдинообразияС.сдимспюа жизни

Эобионты

Химическая
эволюция

Фаза биохимического
отбора

AL As В Ва В

Хим и* юс кос разнообразие
и структурная простота

Рис. 18.1. Схема Пири [4]
В результате сопряжения абиогенных и биогенных систем стало
возможным образования иерархических систем с выделенными
направлениями коэволюционного развития посредством прямых (от
геосферы к биоте) и обратных связей (от биоты к геосфере), катализирующих
биогеохимические циклы в эволюции геобиосферы.

Роль основных химических элементов в эволюции геобиосферы

Элементный состав по 4-м основным элементам (О, С, Н, N, S) в
организмах низших и высших животных суши и океана сопоставим, что
свидетельствует об их общем происхождении (рис. 18.2-а).
Преимущественное содержание S в организмах океана объясняется
литогенным происхождением серы. Обращает на себя внимание следующая
закономерность: атомные доли О, С, N и S близки по величине также в
летучей фракции комет и живом веществе биосферы (рис. 18.2-6).
Относительное соответствие их содержания объясняется, с одной стороны,
общностью геосферных циклов, а с другой стороны, специализацией всех
форм жизни на Земле. Более того, наибольшее совпадение этих значений
отмечается для водорода, что подтверждается условиями формирования
первичной атмосферы на Земле, состоявшей из Н и Не, захваченных из
межпланетного пространства.

Рис. 18. 2. Содержание (распространенность) основных химических элементов: а) в
биоте суши и океана [по данным 5]; б) 1 - в космосе, 2 - в летучей фракции комет, 3
- в живом веществе Земли [по данным 6]

Элементный состав организмов суши и моря. К наиболее
распространенным элементам в организмах (по мере убывания содержания),
помимо Н, С, О и N,относятся Са, К, Mg, S, Р, Cl, Na и Si. На графике (рис.
18.3) видно, что элементный состав животных моря и суши коррелирует, а по
мере роста атомной массы, содержание элементов в средах снижается. Биота
океанов содержит больше N, S и зольных элементов, особенно Na, Mg, Cl и S

(40-50% сухой биомассы). [6]

о
сг
с
о

2-
0

-2-

-4

-6

8

-10

-12

-14

-16

-18 '

—Растения

------ Животные суши

 х Животные моря

Н С F Al S Са Cr Ni Zn Sr AgBaPb U
Элементы

Рис. 18.3. Содержание химических элементов в организмах суши и моря [по дан-
ным 7]

Корреляция содержания основных легких элементов, близких по
содержанию в организмах суши и моря, определяется одинаковым эле-
ментным составом основных биомолекул и биомакромолекул. Это же
касается и физиологически важных металлов, относящихся к макро-
элементам. Более тяжелые элементы специфически привязаны к опреде-
ленным ферментам, характерным для разных видов организмов или
неспецифически адсорбируются на клеточных структурах. Таким образом,
разработанная В.И. Вернадским концепция «встречного» формирования
биотой окружающей среды (создания комфортной среды обитания) характе-
ризует один из путей приспособительной адаптации биосферы в процессе ее
эволюции [8].

Элементный состав фитомассы континентов, в значительной степени,
определяет состав живого вещества биосферы. При этом в органическом
веществе фитомассы суши содержится порядка 60% углеводов, 30% лигнина
и 5% липидов и белков (табл. 18.1).

Таблица 18.1. Усредненный состав органического вещества растительности суши
(после исключения зольных элементов) [9]

Основные компоненты биомассы растительности суши	Химический элемент, массовая доля в%			
	С	Н	О	N
Биомасса суши	54	6	37	2,8
Биомасса суши	48	7	41	2,0
Углеводы	40	7	50	1,5
Лигнин	62	6	30	1,0
Липиды	70	10	18	0,5
Белки	50	7	23	16,0
Проблема формирования и эволюции элементного состава
океанических вод является одной из наиболее значимых, поскольку Жизнь
вышла из океана. Выявлены три основных типа распределения химических
элементов в Мировом океане [10]:

1.	Консервативный - элементы с равнозначной и постоянной во
времени и пространстве концентрацией.

2.	Литогенный - элементы, попадая в океан с речными стоками и
эоловым материалом, практически полностью выводятся в осадок.

3.	Биогенный - содержание элементов в поверхностных водах
уменьшается в результате их вовлечения в геобиосферный круговорот.

При этом основным типом распределения является биогенный. Ход
кривых концентрации растворенных форм элементов в Мировом океане (рис.
18.4) для планктона демонстрирует корреляцию, аналогичную содержанию
химических элементов, выявленных для организмов суши и моря (рис. 18.3).

Н В F Al CISdVlrCu&sRHMbSnCsPrGdErThW

Элементы

Рис. 18.4. Концентрации растворенных форм элементов в Мировом океане [по дан-
ным 10]

Рассеянные элементы играют особую роль в биологическом
круговороте ввиду их повсеместной распространенности, активности в
формировании различных соединений и, следовательно, способности к
активированию и ингибированию биологических и биосферных процессов. В
водах суши рассеянные элементы преимущественно включены во взвеси, а в
морской воде - в растворенные формы. Даже такие слаборастворимые
элементы как Pb, Sc, Ti, Сг в океанах представлены преимущественно в
растворах. Таким образом, основная масса рассеянных элементов,
вовлекаемых в водную миграцию, связана со взвесями, в которых эти
элементы находятся преимущественно в виде комплексных соединений, что в
значительной мере определяет их химическую устойчивость (рис. 18.5). При
этом пространственное распределение рассеянных элементов, поступающих
с речными стоками, также неоднородно: значительная их часть
«улавливается» прибрежными океаническими водами, а другая часть
поступает в океаны [10].

К наиболее вовлеченным в биосферные миграционные процессы
элементы (по мере убывания) относятся: Cl, S, I, Br, Ag, Hg, В, Cd, As, Мр,
Са, Zn, Sr, Си, Mg, Na, Sn и т.д. Скорости миграции рассеянных элементов
обусловлены типом среды (наиболее активная миграция - в атмо- и
гидросредах), свойствами среды, особенностями взаимодействий элементов.
К основным формам миграции можно отнести следующие:

1.	Механическая (атмо-, гидро-, криосферные потоки и почти всегда
сопровождается физико-химическими и биогеохимическими процессами)

2.	Физико-химическая (связана с процессами диффузии, конфекции,
сорбции, адсорбции, растворения, осаждения и др.)

3.	Биогенная (в основе лежит закон Вернадского: геохимические
особенности среды обусловлены живым веществом биосферы [9])

Живые организмы не способны формировать отдельные элементы
таблицы Менделеева, но могут их концентрировать и перемещать. Эволюция
биогенных систем - результат процесса их взаимодействия (как части
геобиосистемы) с геосистемой, поэтому живые системы обнаруживают
свойства, во многом характерные для абиогенных систем.

О 25 50 75 100 125 150 175 200 225
Атомная масса

Рис. 18.5. Усредненные концентрации рассеянных элементов в природных водах
[по данным 5]

Как правило, гипотезы происхождения жизни на земле связаны с
основными химическими элементами. Так, теория абиотического синтеза
биомолекул, согласно которой жизнь на Земле зародилась в горячих
вулканических источниках, утверждает, что в гидротермальных источниках
(при температуре более 80°) возможен абиогенный синтез органических
веществ, в частности аминокислот, из окиси углерода, цианистого водорода и
других неорганических соединений [11]. Катализатором этих реакций
являются имеющиеся в гидротермальных водах твердые частицы,
содержащие железо и никель. Авторы этой гипотезы считают, что такие
условия могли существовать в гидротермальных источниках на ранних
этапах развития Земли. Основные химические реакции, ведущие к
абиогенной фиксации углерода и синтезу органики, представлены тремя
взаимосвязанными реакциями. Сначала образуются свободные протоны и
электроны, необходимые для двух других реакций, а затем образуется аммиак
необходимый для третьей реакции (синтеза аминокислот):

СО + Н2О СО2 + 2Н+ + 2е-,

2CN- + 2е- + ЗН+ + ЗН2О НО-СН2-СОО- + 2NH3,
ЗСО + бе- + 5Н+ + NH3 CH3-CHNH2-COO- + Н2О.

Другая гипотеза утверждает, что жизнь зародилась в наземных
геотермальных полях [12]. Суть в следующем: цитоплазма клеток архей,
бактерий и эукариот характеризуется преобладанием калия над натрием, что
важно для системы трансляции [13]. Этот ионный состав связан с
появлением первых клеток в среде богатой ионами К+ в бассейнах и лужах
на периферии геотермальных полей. В бескислородной атмосфере с
преобладанием СО2 элементарный состав конденсированного пара
напоминал внутреннюю среду современных клеток. Бескислородные
геотермальные поля способствовали формированию сахаров и
азотсодержащих органических молекул, которые могли служить
«кирпичиками» для первичных клеток. Распространение первичных клеток в
среде [K+]/[Na+]> 1,0 должно было быть обусловлено наличием
иононепроницаемых мембран и мембранных ионных насосов для
вытеснения ионов натрия из клеток. Такие насосы могли бы постепенно
привести к мембранам современного типа.

Исходя из общих соображений, существуют два пути происхождения
жизни, которые связаны либо с гетеротрофами, либо с автотрофами. Но в
первом случае возникает проблема фиксации углерода. Поэтому
Вэхтерсхойзер предложил гипотезу, основанную на предположение о том, что
первые самореплицирующиеся молекулы возникли на поверхности пирита
(FeS2), который мог быть источником свободных электронов [14]. Местом
зарождения жизни были глубоководные геотермальные источники, для
которых характерны высокие давление и температура, отсутствие кислорода
и наличие надежного источника энергии - химические соединения на основе
железа и серы, которые и в настоящее время образуются посредством
геологических процессов, а на древней Земле отмечались гораздо чаще. В
этих условиях формируется эндотермический синтез мономерных
структурных элементов биомолекул и их полимеризация. Цикл является
хемоавтотрофным и автокаталитическим, поэтому он должен был быть
частью связанных гомологичных циклов. Анаэробные бактерии, обмен
веществ которых происходит с участием железа и серы, существуют и
сегодня. Железо-серные активные центры и сегодня задействованы в
биохимических процессах, что может указывать на первичное участие Fe-S-
минералов в развитии жизни на Земле.

Гипотеза абиогенного синтеза пребиотического вещества - концепция
астрокатализа, утверждает, что сгустки вещества для протопланет первично
возникают как уединенные нелинейные волны при развитии гравитационной
неустойчивости в двухфазной среде околозвездного диска. В сгустках
осуществляются благоприятные условия для гетерогенного каталитического
синтеза органических соединений на основе основных пяти химических
элементов. Обосновывается, что каталитические процессы формируют
планеты, и определены физико-химические параметры среды, в которой
возможно начинались химические процессы мира РНК [15].

В современных океанах удаление растворенного кремнезема из
морской воды представляет собой в основном биологический процесс,
осуществляемый диатомовыми водорослями, радиоляриями и губками.
Обилие кремния в верхнепротерозойских карбонатах свидетельствует о том,
что в то время кремнезем выносился из морской воды главным образом за
счет абиологических процессов. Ближе к началу кембрийского периода
сублиторальный кремний становился все более распространенным, что
послужило мотивом его использования организмами в качестве
скелетообразующего материала и значительного увеличения биомассы
морских биогенных форм [16].

Это лишь часть существующих гипотез, но, тем не менее, даже при
недоказанности многих положений, и она дает представление о
существенной роли химических элементов в эволюции жизни на Земле.

Основные черты эволюции геобиосферы могут быть охарактеризованы
следующим образом [17]:

1.	Химический состав геосферы обусловлен процессами дегазации
земных недр, адсорбцией летучих компонентов породами земной коры и их
растворением в водах Мирового океана. Основным фактором, определяющим
распространенность большинства элементов в геосфере и биоте, является
состав земной коры. Наблюдаются существенные корреляции содержания
большинства химических элементов (за исключением избыточных летучих)
во всех компонентах геобиосферы.

2.	Относительное постоянство усредненного химического состава
Мирового океана на протяжении миллиардов лет эволюции Земли, что в
значительной степени определило пути возникновения и эволюции Жизни.
Атмосфера на протяжении геологической истории Земли претерпела
кардинальные изменения - от смеси углекислого газа, аммиака и метана до
азотно-кислородной смеси.

3.	Суммарная биомасса, которая была произведена на Земле в течение
1 млрд, лет, превышает массу земной коры [18]. Поэтому масштабы
биосферных процессов сопоставимы с геологическими процессами.

4.	Возникновение геосферного, а затем геобиосферного круговоротов
веществ сопровождалось накоплением органического вещества и
интенсификацией метаболизма с участием широкого круга химических
элементов.

5.	Живые организмы включают многие химические элементы и
обладают избирательной способностью использовать их из внешней среды в
соответствии со своими биохимическими и биофизическими функциями.
Основу живого вещества составляет углерод, обладающий уникальной
способностью создавать бесконечное множество разнообразных, устойчивых
и в то же время лабильных химических соединений.

6.	К основным биосферным характеристикам живого вещества в
геологической истории Земли могут быть отнесены следующие:

высокая скорость и специфичность биохимических процессов в
геобиосфере обусловлены особенностями ферментативного катализа,
который, в свою очередь, является результатом эволюционного отбора
организмов — создателей и носителей ферментов;

возникновение двух форм жизни - аэробной и анаэробной определило
два основных пути вовлечения основных элементов в геобиосферный
круговорот.

Коэволюция геохимических и биохимических процессов на ранней
стадии становления биосферы. Сужение геохимического базиса
жизни

В бескислородной гидросфере раннего архея многие металлы были
очень подвижными и доступными для биохимических реакций. Но в
процессе эволюции, на ранних стадиях, значительная часть тяжелых
металлов посредством гравитации переместилась к центру планеты. К концу
архея (2.6 млрд, лет назад) более 60% массы металлического ядра было уже
сформировано, и сформировалось магнитное поле Земли. В результате
затухающей вулканической активности снижался объем химических
элементов, поступающих в геосферу. Дальнейшее снижение концентрации
парниковых газов в атмосфере в значительной степени связано с
активностью биоты - прямой (поглощение углекислого газа и захоронение
биогенного углерода в осадке) и косвенной (окисление метана биогенным
кислородом, снижение парникового эффекта атмосферы). Однако эти
механизмы могли работать только при условии роста площади
континентальных плит: континенты стали «ловушкой» для огромной массы
углерода (в составе рассеянного органического вещества, углеводородов,
углеродистых и карбонатных пород). Таким образом, геологические и
биотические факторы в ранней истории Земли вели к геохимическому
истощению геобиосферы. Функциональная иерархия жизни - от
последовательности биохимических реакций в живой клетке до глобальных
циклов биофильных элементов - имеет глубокие исторические причины [19].
Известно, что скорость биохимических реакций управляется ферментами, и
активными каталитическими центрами большинства известных ферментов
являются атомы металлов.

Важнейшую роль в происхождении жизни стали играть минералы как
звенья сопряженных геохимических и биохимических процессов [19].
Многие минералы играли роль катализаторов, например, слоистые
кристаллические решетки глинистых минералов могут улавливать короткие
молекулы аминокислот в межслоевых пространствах, сохранять их там
длительное время и способствовать их участию в реакциях с образованием
более сложных соединений. На начальной стадии становления жизни
биохимические реакции проходили в насыщенной свободными электронами
восстановительной среде, богатой ионами разнообразных, в том числе
тяжелых, металлов. Свободный кислород в атмосфере, делая одни металлы
малодоступными, увеличивал растворимость других металлов, например,
благодаря окислению нерастворимых сульфидов до более растворимых
сульфатов металлов. По мере выведения из активного круговорота тяжелых
металлов (W, Со, Ni, Fe), которые отличаются высокими каталитическими
свойствами, некоторые элементы, в том числе биофильные металлы, стали
доступными именно благодаря кислороду. Эту гипотезу подтверждает факт
открытия важной биологической роли никеля и вольфрама [20]. Вольфрам
обнаружен у гипертермофильных архебактерий (Pyrococcus furiosus,
Thermococcus litoralis), метан-продуцирующих бактерий (Methanobacterium
thermoautotrophicum, M. wolfei), грам-положительных бактерий (Clostridium
thermoaceticum, C. formicoaceticum, Eubacterium acidaminophilum), грам-
отрицательных анаэробных бактерий (Desulfovibrio gigas, Pelobacter
acetylenicus) и грам-отрицательных аэробных бактерий (Methylobacterium sp.).
Из них только архебактерии-гипертермофилы облигатно зависимы от
вольфрама, что может свидетельствовать в пользу очень древнего
происхождения W-ферментов, с учетом самого низкого положения архей-
гипертермофилов на древе жизни [21]. Замещение малодоступных металлов
на доступные в составе ферментов, вероятно, было одним из основных путей
ранней эволюции метаболизма, и, согласно [19], это этапы замещения от
тяжелых металлов к более легким проходило по следующей схеме: W, V, Ni,
Fe, Vj, Мп, Си, Zn. Этот процесс связан с увеличением концентрации
кислорода, образование связано с появлением способных к фотосинтезу
организмов. Эукариотизацию биосферы сопровождала биохимическая
эволюция: появление новых типов ферментов, замещение менее доступных
металлов в составе кофакторов более доступными, усложнение
метаболических цепей внутри клетки. Рост биологической сложности в
условиях химического истощения и оксигенизации среды обитания оказался
основным в эволюции жизни [19].

Таким образом, можно сделать основные выводы.

1.	Коэволюцию сопряженных подсистем условно можно определить
как взаимовлияние прямых связей (от геосферы к биоте) и обратных связей
(от биоты к элементам геосферы). Эти кооперативные воздействия
катализируют систему биогеохимических циклов, носят неаддитивный
характер и служат основой для дальнейшей эволюции.

2.	К самым важным прямым связям относится дегазация Земли,
приведшая к формированию первоначальной атмосферы и гидросферы, и
ключевым процессом служило субаэральное химическое выветривание, в
результате которого за счет реакции СО2 с породами сформировалась кора
выветривания [22].

3.	В качестве важнейшего звена в схеме обратных связей можно
определить формирование состава атмосферы под действием микробиоты.
Основным последствием бактериального цикла стало создание нейтральной
среды и кислородной атмосферы [18].

4.	В результате геохимического обеднения геобиосферы самым
существенным процессом было снижение доступности и подвижности
многих металлов - катализаторов и ферментов обменных процессов в живой
клетке.

5.	Устойчивое существование биосферы стало возможным только при
условии относительной замкнутости биогеохимических циклов, которая
могла быть обеспечена сообществами микроорганизмов с разными
биогеохимическими функциями

Список литературы

1.	Condie К. С. Earth as an evolving Planetary System. 2nd Edition, Academic Press,
Elsevier, 2011, 574 p.

2.	Bernal J. D., The Physical Basis of Life. 1951, 80 p.

3.	Oparin A. I. The chemical origin of life (Am. Lecture Ser.), 1964, 124 p.

4.	Pirie N. W., Chemical diversity and the origins of life. In: Of Life on Earth, London,
1959, p. 76-83.

5.	Методы гидрохимических исследований океана. Иваненков В. Н., Романкевич
Е. А., Бруевич С. В., и др. М.: Наука, 1978. - 271 с.
6.	Добровольский В.В. Биогеохимия мировой суши /Избранные труды, Т.П!. -
Научный мир, 2009. - 440 с.

7.	Виноградов А.П. Химическая эволюция Земли, М., 1959. - 44 с.

8.	Вернадский В.И. Химическое строение Биосферы Земли и ее окружения. - М.:
Наука, 2001 г.- 376 с.

9.	Методы гидрохимических исследований океана: [руководство] ./Иваненков В.
И., Романкевич Е. А., Бруевич С. В., идр. - М.: Наука, 1978. - 271 с.

10.	Иванов В.А., Показеев К.В., Шрейдер А.А. Основы океанологии: Учебное
пособие. - СПб.: Издательство «Лань», 2008. - 576 с.

11.	Claudia Huber and Gunter Wachtershauser. a-Hydroxy and a-Amino Acids Under
Possible Hadean, Volcanic Origin-of-Life Conditions // Science. 2006. V. 314. p.
630-632.

12.	Mulkidjanian, A. Y., Bychkov, A. Y, Dibrova, D. V, Galperin, M. Y, and Koonin,
E. V. (2012) Origin of first cells at terrestrial, anoxic geothermal fields. Proc Natl
Acad Sci U S A 109, E821-830.

13.	Spirin, A. S., and Gavrilova, L. P. The Ribosome, Springer, New York, 1969,164 p.

14.	Wachtershauser, G. Evolution of the first metabolic cycles.// Proceedings of the
National Academy of Sciences of the United States of America. 1990, 87 (1), c.
200-04.

15.	Снытников B.H. Астрокатализ как стартовый этап геобиологических
процессов./ развитие жизни в процессе абиотических изменений на Земле,
2008, №1, с. 21-32.

16.	Maliva R.G., Knoll А.Н., Siever R. Secular change in chert distribution: a
reflection of evolving biological participation in the silica cycle // Palaios. 1989. V.
4. P. 519-532

17.	Твердислов В.А., Сидорова А.Э., Яковенко Л.В. Биофизическая экология.
Монография. - М.: УРСС КРАСАНДР, 2011 - 544 с.

18.	Войткевич Г.В. Возникновение и развитие жизни на Земле. Под.ред. А.И.
Перельмана. - Москва «Наука», 1988 - 244 с.

19.	Федонкин М. А.. Сужение геохимического базиса жизни и эукаритизации
биосферы: причинная связь. / Палеонтологический журнал, 2003, № 6, с. 33-
40.

20.	Cammack R. Nickel in metalloproteins // Adv. Organic Chem. 1988. V. 32. P. 297-
333.

21.	Stetter K.O. The lesson of Archaeobacteria // Early life on Earth. Nobel Symp. N
84. N. Y: Columbia Univ. Press, 1994. P. 143-151

22.	Williams RJ.P., Frausto da Silva JJ.R. The involvement of molybdenum in life //
Biochem. Biophys. Res. Comm. 2002. V. 292. № 2. P. 293-299.
19. Заключение

Биофизика как наука и как учебная дисциплина поистине безгранична,
поскольку, как и естествознание в целом, включает в себя элементы биологии
(зоологию, ботанику, физиологию, экологию, биохимию, молекулярную
биологию, астробиологию), физики, химии, геологии и географии,
математики, синергетики и кибернетики, медицинской физики и
фармакологии. По этой простой причине авторы настоящего учебного
пособия даже и не пытались в лекциях и семинарах подробно отразить всё
многообразие нашей науки, однако все направления её
междисциплинарности в той или иной мере были затронуты. Задачей издания
стало первичное ознакомление студентов с предметом и методами этой
многогранной науки через изложение её базовых идей и материалов.

Далее, как и принято в университетском образовании, —
самообразование и пытливый поиск. Большое количество необходимой
литературы приведено в отдельных главах, а на просторах интернета можно
при соблюдении необходимой бдительности найти множество полезной
информации в области наук о Живом.

Авторы издания желают читателям успехов и радостей от познания
основ биофизики — одной из самых интересных и перспективных наук.