Методологическая роль категории сопряжения в понимании сущности уникальных свойств биологически активных молекул

1УДК 57

ББК 74.262.8

МЕТОДОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ КАТЕГОРИИ СОПРЯЖЕНИЯ В ПОНИМАНИИ СУЩНОСТИ УНИКАЛЬНЫХ СВОЙСТВ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ МОЛЕКУЛ

С. М. Похлебаев

Аннотация. В статье конкретизируется методологическая роль сопряжения как естественнонаучной категории познания (обоснованной нами ранее) неживой и живой природы на электронном уровне. Анализ литературных источников свидетельствует, что сопряженная система п-электронов лежит в основе строения важнейших биологических молекул и работает как единое целое. Данная система определяет уникальные свойства этих молекул, которые выполняют основную функцию в превращениях веществ, энергии, информации в растительных и животных клетках. Вместе с тем на клеточном уровне сопрягаются передача информации и превращение вещества и энергии. В итоге клетка функционирует как сопряженная система и на ее уровне возникает такое уникальное явление, как Жизнь. Усвоение содержания категории сопряжения учащимися и студентами на электронном уровне и использование ее познавательного потенциала при изучении строения уникальных свойств биологически активных веществ расширит их границы понимания принципов структурной организации материи в целом и будет способствовать формированию научной картины мира.

Ключевые слова: материя, взаимодействие, сопряжение, методология, познавательная деятельность, сопряженная система п-электронов, хлорофиллы, фикобилины, каротиноиды, ци-тохромы и гемоглобины.

METHODOLOGICAL ROLE OF CONJUGATION CATEGORY IN UNDERSTANDING THE ESSENCE OF UNIQUE PROPERTIES OF BIOLOGICALLY ACTIVE MOLECULES

S. M. Pohlebaev

Abstract. The article elaborates on the methodological role of conjugation as a natural science category of knowing (justified earlier) inanimate and living nature on an electronic level. The analysis of literary sources shows that the conjugated system of n-electrons is the basis of the structure of important biological molecules and works as a single unit. This system determines the unique properties of these molecules, which perform a central function in transformation of substances, energy and information in plant and animal cells. At the same time, the transfer of information and the transformation of substance and energy are conjugated at the cell level. As a result, the cell functions as a conjugated system and at its level there starts such a unique phenomenon as Life. The understanding of the content of the category of conjugation by students at the electronic level and the use of its cognitive potential in studying the structure of unique properties of biologically active substances will broaden their boundaries of comprehending the principles of the structural organization of mater, and in general will contribute to the formation of a scientific picture of the world.

Keywords: matter, interaction, interface, conjugation, methodology, cognitive activity, conjugated system of n-electrons, chlorophylls, phycobilins, carotenoids, cytochromes and hemoglobins.

Невысокий уровень естественнонаучного мышления у школьников и студентов детерминирован их неумением использовать методологический потенциал философских общенаучных, частнонаучных категорий, законов,

теорий с целью интеграции и классификации философских, физических, химических и биологических знаний, являющихся фундаментом для формирования и развития теоретического мышления и научного мировоззрения. Поэтому неслучайно

стратегия методологизации школьного и вузовского образования, обозначенная в государственных стандартах, является приоритетной и служит стержнем при обучении любой дисциплине [1]. Особо это касается естествознания, которое, являясь связующим звеном между отдельными естественными науками и философией, вносит основную лепту для формирования и развития философских категорий и принципов.

В качестве универсальной методологии в научных исследованиях продолжает выступать диалектический материализм, который сопрягает в себе диалектику, логику и теорию познания. Сами принципы диалектической логики предопределяют совершенствование ее категорий. Такая модернизация философских категорий, как правило, осуществляется двумя путями: либо совершенствованием наличных понятий, углубления их содержания, либо путем выдвижения новых обобщенных понятий на основе последних достижений естественных и общественных наук. На этой основе наука развивается и решает насущные проблемы практики.

Анализ современного естественнонаучного знания свидетельствует, что среди основных философских понятий все возрастающее значение в настоящее время приобретает категория «взаимодействие». Это обусловлено научно-техническим прогрессом, который предопределяет спрос на более эффективные методы научного мышления. Наука подошла к той области глубинных и во многом опосредованных знаний, которые нельзя понять без диалектики.

При изучении природных форм движения материи на элементарном уровне особенную востребованность приобретает категория взаимодействия, которая отражает общую стратегию эволюции материального мира. «Взаимодействие - это процесс взаимного влияния тел друг на друга путем переноса материи и движения, универсальная форма изменения состояний тел. Взаимодействие определяет существование и структурную организацию всякой материальной системы, ее свойства, ее объединение, наряду с другими телами, в систему большего порядка. Без способности к взаимодействию материя не могла бы существовать» [2, с. 65]. Ф. Энгельс охарактеризовал взаимодействие как конечную причину всего сущего, после которой нет более фундаментальных свойств. Эту мысль он выска-

зал фразой: «Мы не можем пойти дальше познания этого взаимодействия именно потому, что позади его нечего больше познавать» [3, с. 199].

Взаимодействие как атрибут материи (наряду с движением и отражением) играет ключевую роль для понимания сущности конкретных форм движения материи и их генетической связи, а как философская категория - является мощным общенаучным методом исследования, однако не дает всеобъемлющего представления об объекте и неизбежно, как всякая абстракция, обедняет исследуемую реальность.

Принцип неисчерпаемости материи предопределяет и принцип неисчерпаемости взаимодействия. Отсюда вытекает задача постоянного расширения и углубления нашего понимания сущности взаимодействия при изучении конкретных материальных объектов и явлений. Взаимодействие как атрибут материи имеет внешние проявления и внутренние причины.

Разбор теории и практики, представленный И. А. Третьяковой, позволил автору обосновать идею о том, что важнейшую внутреннюю сторону взаимодействия, которая обеспечивает возникновение нового качества при эволюции материальных систем, может отражать понятие «сопряжение». Данное понятие эффективно используется при изучении всех природных форм движения материи в силу того, что раскрывает сущность взаимодействия между любыми материальными объектами и явлениями. Понимание сущности этих механизмов позволяет управлять ими и решать конкретные практические проблемы. Однако, по мнению автора, во всех частных случаях использования понятия сопряжения оно не несет методологической нагрузки. И только после подведения данного понятия под философскую категорию взаимодействия оно может претендовать на статус естественнонаучной категории и методологии познания [4].

В настоящем исследовании методологический потенциал сопряжения был применен к выявлению общих принципов организации биологически активных органических молекул, которые обладают уникальными свойствами и играют важную роль в обеспечении разнообразия и эволюции организмов на Земле. Анализ научных данных свидетельствует, что сопряжение как принцип организации материи лежит в основе строения биологически актив-

ных органических молекул, которые обладают уникальными свойствами и играют важную роль в обеспечении жизнедеятельности и эволюции всех организмов на Земле.

Уникальные свойства органических молекул во многом определяются распределением электронов по орбиталям, что предрешает изменение электронной плотности в ее структуре и, как следствие, изменение свойств данной молекулы. Явление перераспределения электронной плотности имеет особое значение у биологически активных молекул, которые в комплексе представляют молекулярный уровень организации для всех видов клеток, существующих на Земле. Именно перераспределение электронной плотности в этих молекулах в первую очередь предопределяет их уникальные (особенные) свойства. Эти уникальные свойства молекул лежат в основе трех всеобщих явлений живых систем, которые обозначаются как открытость, саморегуляция и самовоспроизведение. В своей совокупности данные явления лежат в основе всех жизненных функций объектов живой материи.

У всех высокомолекулярных соединений важнейшую роль в перераспределении электронной плотности играет сопряженная система чередующихся (многократно) о- и п-связей. В результате такого сопряжения электроны становятся подвижными, а молекула становится биологически активной и не только имеет определенные свойства, но и способна выполнять функции. По мнению Б. Пюльман и А. Пюльман, к таким молекулам следует отнести ДНК, РНК, АТФ, НАД, ФАД [5]. Этот список следует дополнить такими уникальными соединениями, как хлорофиллы, фикобилины и каротиноиды. Все выше отмеченные биологические молекулы определяют сущность клеточного метаболизма, в котором постоянно происходит превращения веществ, форм энергий и информации. Таким образом, биологическая форма движения материи эффективно использует сопряжение как общий принцип организации материи. Этот принцип работает на электронном уровне, предопределяя физические и химические свойства биологически активных молекул, которые в своей совокупности обеспечивают функционирование клетки как сопряженной системы.

Действие сопряжения как внутренней стороны взаимодействия, а следовательно, и как одного из общих принципов материи проявля-

ется на разных уровнях ее организации. Фундаментом такой организации является электронный уровень. Роль сопряжения как одного из фундаментальных принципов организации и функционирования биологической формы движения материи на электронном уровне целесообразно рассмотреть на примере таких важных соединений, как хлорофиллы, фикобилины, ка-ротиноиды, цитохромы и гемоглобины.

Из перечисленных выше соединений хлорофилл назван первым неслучайно. По мнению К. А. Тимирязева хлорофилл является наиболее уникальным соединением на нашей планете [6]. Данный пигмент осуществляет основную функцию в преобразовании энергии квантов света в энергию химических связей углеводов. Эта солнечная энергия, запасенная сухопутными и водными растениями, является основой для всех жизненных процессов гетеротрофных организмов на планете.

Уникальное свойство хлорофилла обусловлено строением его молекулы. В основе строения молекулы хлорофилла лежит порфириновое кольцо, которое представляет систему их девяти пар сопряженных (конъюгированных) чередующихся двойных и одинарных связей с 18 делока-лизованными п-электронами [7, с. 67]. Формирование такой системы происходит в процессе биосинтеза хлорофилла, который начинается с образования о-аминолевулиновой кислоты. Циклизация этих молекул приводит к образованию четырех пиррольных колец, которые, конденсируясь, образуют протопорфирин с 18-членной системой сопряженных о- и п-связей. Дальнейшие превращения протопорфирина определяются наличием металлов. Если в протопорфириновое кольцо включается железо - формируется гем, входящий в состав цитохромов, каталазы, пероксидазы и гемоглобина. При включении в кольцо магния и дальнейших превращениях образуется хлорофилл [7, с. 68]. Этот факт указывает на принципиальное структурное сходство важнейших органических соединений у растений и животных.

Сопряженная структура молекулы хлорофилла, отобранная в процессе химической эволюции, определяет и уникальные физико-химические свойства этой молекулы как оптического и химического сенсибилизатора. Сопряжение этих физико-химических свойств позволяет данной молекуле выполнять три важней-

шие функции: 1) избирательно поглощать энергию красных и сине-фиолетовых лучей; 2) запасать ее в виде энергии электронного возбуждения; 3) преобразовывать энергию электронного возбуждения в более устойчивую энергию химических связей АТФ и НАДФ  Н+ [7, с. 72].

Система сопряженных двойных и одинарных связей лежит в основе и другой важнейшей группы пигментов - фикобилинов. В основе строения фикобилинов, как и хлорофиллов, лежит тетрапиррольная структура, имеющая сопряженную систему двойных и одинарных связей. Однако, в отличие от хлорофилла, тетрапиррольная система этих пигментов открыта и не содержит атомов магния или других металлов. Уникальную структуру этих соединений «используют» как растительные организмы, так и животные. Так, в красных водорослях (помимо хлорофилла) содержатся фикоэритробили-ны, в синезеленых - фикоцианобилины. У животных представителем фикобилинов является билирубин и биливердин, которые относится к группе желчных пигментов и образуются в результате распада протопорфирина IX.

Появление фикобилинов в процессе эволюции можно рассматривать как арохимоз, который обеспечил максимальное улавливание света растениями, обитающими в водной среде. Вода в значительной степени поглощает длинноволновые (красные) лучи, которые (как и сине-фиолетовые) используются в процессе фотосинтеза. Этот недостаток получения солнечной энергии хлорофиллом у водорослей компенсируется энергией, поглощающей фикобилинами в оранжевой, желтой и зеленой частях спектра, который не поглощается молекулами хлорофилла. Это явление В. Т. Эн-гельман назвал хроматической комплементарной адаптацией водорослей. Энергия света, поглощенная фикобилинами, передается на хлорофил-лы. Следовательно, фикобилины в процессе фотосинтеза у водорослей выполняют функцию дополнительных пиментов вместо хлорофилла b.

Важнейшим представителем фикобилинов является фитохром, который имеется у всех растений. Этот пигмент является фоторецептором для восприятия красного и дальнего красного света и выполняет регуляторные функции (контролирует синтез некоторых фотосинтетических пигментов, фоторегуляцию цветения, проростания семян и др.).

Сопряженная система о- и п-связей лежит в основе строения желтых, оранжевых и красных пигментов, которые объединены в группу каро-тиноидов. Данные пигменты синтезируются высшими растениями, бактериями, грибами и некоторыми животными. Растительные каротиноиды

- каротины и их окисленная форма ксантофиллы

- синтезируются в зеленых листьях, корнях моркови, плодах шиповника, томатах и др. По химической природе каротины - изопреноидные углеводороды, обладающие системой сопряженных двойных связей; на каждом из концов этих молекул находятся ненасыщенные замещенные ци-клогексановые кольца. В листьях растений каротиноиды выполняют ряд важных функций: 1) поглощают кванты света в сине-фиолетовой части спектра и передают их энергию молекулам хлорофилла, 2) защищают молекулы хлорофилла от необратимого фотоокисления. Некоторые исследователи считают, что эти пигменты принимают участие в кислородном обмене при фотосинтезе.

Как уже было отмечено выше, протопорфи-рин, в основе строения которого лежит уникальная 18-членная сопряженная система о- и п-связей, может образовывать комплексные соединения не только с ионами такого металла, как магний, но и с ионами железа. Хелатный комплекс протопорфирина с Fe (II) называется протогемом или просто гемом [8, с. 437]. В живых организмах гем, как простетическая группа, входит в состав сложных белков гемопротеидов. В зависимости от заместителей в порфириновом ядре различают гемы a, b, c и т. д. Наиболее распространенным и значимым является гем b, который входит в состав гемоглобинов, миоглобина, большинства цитохромов, а также каталазы и пероксидазы.

Представленный анализ литературных данных и ранее проведенные исследования [9; 10] позволяют констатировать, что сопряжение как внутренняя сторона взаимодействия является одним из важнейших механизмов повышения (усложнения) уровня организации как неживой, так и живой материи и возникновения у нее новых качеств. В процессе химической эволюции механизм сопряжения обеспечил возникновение уникальных соединений, в основе строения которых лежит сопряженная система о- и п-связей. Электроны этих связей легковозбудимы, они участвуют в преобразовании энергии квантов света в энергию электронного возбуждения в сопряженных биохими-

ческих реакциях: окислительного фосфорилиро-вания, фотофосфорилирования и т. д., которые обеспечивают интактные клетки энергетическими эквивалентами (АТФ и НАДФ  Н+). Такие сопряженные системы, по-видимому, можно рассматривать как ароморфозы (по А. Н. Северцеву) или скорее арохимозы (по А. В. Благовещенскому), которые позволили организмам осваивать новые экологические ниши, появившиеся в ходе глобальных климатических преобразований. Универсальность и значимость таких систем доказана вышеприведенными фактами. Они присущи всем живым существам на нашей планете и обеспечивают новые возможности для освоения ресурсов внешней среды.

СПИСОК ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ

1. Федеральный государственный образовательный стандарт основного общего образования. Утвержден Приказом Министерства образования и науки Российской Федерации от 17 декабря 2010 г. № 1897.

2. Философский словарь / под ред. И. Т. Фролова. - 5-е изд. - М.: Политиздат, 1986. - 590 с.

3. Энгельс Ф. Диалектика природы. - М.: Политиздат, 1987. - 349 с.

4. Третьякова И. А. Сопряжение как внутренняя сторона взаимодействия и методология познания // Фундаментальные исследования. - 2013. - № 11 (9). - С. 1929-1933.

5. Пюльман Б., Пюльман А. Квантовая биохимия. - М.: Мир, 1965. - 654 с.

6. Тимирязев К. А. Избр. соч.: в 4 т. - М.: Огиз-сельхозгиз, 1948. - Т. 1. Солнце, жизнь и хлорофилл. - 695 с.

7. Полевой В. В. Физиология растений: учебник для биол. специальностей вузов. - М.: Высш. шк., 1989. - 464 с.

8. Ленинджер А. Биохимия / пер. с англ.; под ред. А. А Баева и Я. М. Варшавского. - М.: Мир, 1974. - 959 с.

9. Похлебаев С. М., Третьякова И. А. Сопряже-

ние и разобщение как диалектическая пара, и ее роль в создании и понимании хемиосмо-тической теории Митчелла // Наука и школа.

- 2011. - № 4. - С. 65-67.

10. Похлебаев С. М., Похлебаева О. С. Сопряжение как фундаментальный принцип организации и развития материи // Наука и школа.

- 2009. - № 6. - С. 30-32.

REFERENCES

1. Federalnyy gosudarstvennyy obrazovatelnyy standart osnovnogo obshchego obrazovaniya. Utverzhden Prikazom Ministerstva obrazovaniya i nauki Rossiyskoy Federatsii ot 17 Dec. 2010. No. 1897.

2. Frolov I. T. (ed.) Filosofskiy slovar. Moscow: Politizdat, 1986. 590 p.

3. Engels F. Dialektika prirody. Moscow: Politizdat, 1987. 349 p.

4. Tretyakova I. A. Sopryazhenie kak vnutrennya-ya storona vzaimodeystviya i metodologiya poznaniya. Fundamentalnye issledovaniya. 2013, No. 11 (9), pp. 1929-1933.

5. Pullman B., Pulman A. Kvantovaya biokhimiya. Moscow: Mir, 1965. 654 p.

6. Timiryazev K. A. Izbr. soch.: v 4 t. Moscow: Ogiz-selkhozgiz, 1948. Vol. 1. Solntse, zhizn i khlorofill. 695 p.

7. Polevoy V. V. Fiziologiya rasteniy: uchebnik dlya biol. spetsialnostey vuzov. Moscow: Vyssh. shk., 1989. 464 p.

8. Lehninger A. Biokhimiya. Moscow: Mir, 1974. 959 p.

9. Pokhlebaev S. M., Tretyakova I. A. Sopryazhe-nie i razobshchenie kak dialekticheskaya para, i ee rol v sozdanii i ponimanii khemiosmotiches-koy teorii Mitchella. Nauka i shkola. 2011, No. 4, pp. 65-67.

10. Pokhlebaev S. M., Pokhlebaeva O. S. Sopry-azhenie kak fundamentalnyy printsip organizat-sii i razvitiya materii. Nauka i shkola. 2009, No. 6, pp. 30-32.

Похлебаев Сергей Михайлович, доктор педагогических наук, профессор кафедры Общей биологии и физиологии Южно-Уральского государственного гуманитарно-педагогического университета e-mail: istina48@mail.ru

Pohlebaev Sergei M, ScD in Education, Professor, General biology and physiology Department, South Ural State humanitarian pedagogical University e-mail: istina48@mail.ru