Живая материя - форма движущейся материи. 3 страница

Как начинается трансляция? Этот процесс весьма сложен у эукариот. В случае прокариотических организмов трансляцию принято разделять на четыре фазы (рис. 4.3):

1. Активация аминокислот,

2. Инициация синтеза полипептидной цепи,

3. Удлинение (элонгация) образующейся цепи,

4. Терминация.

Активация аминокислот. Аминокислоты связываются с 3'-концом (ЦЦА-конец) специфической тРНК. Эта реакция нуждается в присутствии АТФ, ионов Mg²⁺ и специфической аминоацил-тРНК-синтетаза. Синтетазы очень сильно отличаются друг от друга, что свидетельствует о их различном происхождении. Каждый из этих ферментов должен специфически узнавать аминокислоту, тРНК и связывать АТФ. Ошибки возникают на этом этапе с частотой 10^-4.

Для инициация синтеза полипептидной цепи требуются АТФ, малая и большая субъединицы рибосомы, мРНК, тРНК, факторы инициации. Процесс начинается с того, что к малой субъединице рибосомы присоединяется молекула особой тРНК (с антикодоном УАЦ). После этого может быть связана мРНК. Однако не всякая мРНК узнается рибосомами. Вероятно для запуска она должна содержать специфические сигналы узнавания. После присоединения к комплексу 30S-частица-тРНК-мРНК двух кофакторов и большой субъединицы рибосомы образуется инициаторный комплекс.

Элонгация образующейся цепи. Для осуществления этого процесса необходимы инициаторный комплекс, нагруженные аминокислотами тРНК, факторы элонгации, АТФ. После того как первая тРНК со своей аминокислотой присоединится к комплексу мРНК-рибосома, рядом с ней присоединяется следующая тРНК. Затем фермент связывает между собой две аминокислоты, первая тРНК (метиониновая) отсоединяется от рибосомы, а цепочка мРНК протягивается через рибосому на один триплет. Все эти процессы многократно повторяются до тех пор, пока рибосома не дойдет до стоп-кодона мРНК. К одной молекуле мРНК присоединяется обычно много рибосом, которые движутся вдоль нее, транслируя при этом содержащуюся в ней информацию о строении молекулы белка.

Сигналом терминации служит любой из трех кодонов: УАА, УАГ или УГА. Обычно не бывает тРНК с соответствующими антикодонами. После того как отделится последняя тРНК, освобождается также и мРНК, а рибосомы распадаются на свои субчастицы. Скорость роста пептида довольно сильно различается в разных группах организмов. Например при 37^oC синтез одной альфа-цепи гемоглобина длится 180 сек, то есть удлинение цепи на 1 аминокислотный остаток продолжается немногим больше 1 сек. Биосинтез полипептидов у бактерий, например у кишечной палочки, протекает значительно быстрее, так как цепь за 1 сек удлиняется более чем на 20 аминокислотных остатков.

Такое изложение процесса биосинтеза может показаться сложным. В действительности же я представил только самую общую схему процесса в каждой из фаз которого, если рассмотривать его более детально, будут обнаруживаться все новые и новые детали и агенты, отвечающие за правильность присоединения главных молекул и их правильное взаимодействие.

Какой же минимальной сложностью должна обладать эта система для старта эволюционного развития механизмов транскрипции и трансляции?

При выведении минимально возможной сложности механизма, послужившего началом для развития современных систем транскрипции и трансляции, по-видимому, необходимо исходить из следующих положений:

- для синтеза простейших белковых молекул (5-6 аминокислот) генетический материал должен содержать не менее 15 нуклеотидов,

- транскрипция возможна и при отсутствии сложной системы ферментов в силу саморепликации нуклеотидов, образующих наиболее устойчивые пары или в присутствии примитивных белковых ферментов (коферментов), имеющих небольшую протяженность, соответствующую размерам активных центров современных больших молекул,

- полимерные нуклеиновые кислоты, способные выполнять функцию тРНК, могут быть небольших размеров,

- рибосомы, как центры трансляции, должны возникнуть до образования эукариотических организмов (и возможно даже до образования каких либо организмов),

- возникновение механизмов трансляции и транскрипции возможно в первичном бульоне и уже вторично компоненты, составляющие их, могли связаться с коацерватами в силу адсорбции.

4.2. Происхождение генетического аппарата протоклетки

Мы все согласны, что Ваша теория сумасшедшая.

Вопрос, по которому мы разделились, - достаточно

ли она безумная, чтобы быть правильной?

Нильс Бор

Для всех коацерватов характерна одна общая проблема - из-за отсутствия воспроизведения своих белков не было специфических наследуемых свойств. До сих пор я сознательно избегал при изложении материала проблемы происхождения механизмов транскрипции и трансляции. Все дело в том, что этот вопрос все еще остается самым неясным и, пожалуй, самым важным в теории происхождения жизни. Здесь мы остановимся только на одной из возможных гипотез, которая принадлежит Фолсому.

Как мы предположили выше, содержавшиеся в коацерватах полимеры не были такими большими, как современные. Первичные белки представляли собой совсем небольшие молекулы, состоящие примерно из 5-7 аминокислот. Соответственно, и первичные полинуклеотиды также содержали не миллионы, а 15-20 оснований. На чем основывается подобное утверждение? Как ни странно на строении современных ферментов. Каталитический активный центр ферментов почти всегда имеет небольшое число аминокислот. Остальная часть крупной биомолекулы нужна для контроля, стабилизации, достижения специфических внутриклеточных центров. То есть, мы вправе предположить, что вся эта дополнительная цепь молекулы вторична и возникла в процессе эволюции ферментов в организме, а для самой ферментативной реакции вполне достаточно размеров этого небольшого фрагмента белка.

Поэтому, мы можем несколько снизить масштабность проблемы и ограничиться рассмотрением возникновения синтеза небольших специфических пептидов и олигонуклеотидов.

Для начала допустим наличие небольшой генераторной РНК длиной 15 мономеров. В некоторых случаях это могли быть линейные молекулы, но, поскольку, они были в растворе и вероятнее всего в неконцентрированном, олигонуклеотид замыкался по типу голова-к-хвосту с образованием маленькой кольцевой молекулы (возможность этого процесса можно показать в лаборатории). Кольцевые формы полинуклеотидов химически более устойчивы, чем линейные. Основания кольцевой молекулы могут спариваться со свободными нуклеотидами из “первичного бульона” согласно правилам спаривания оснований. Медленно и с ошибками на этой кольцевой генераторной молекуле все же возможно образование копий колинеарного полимера без участия ферментов. Однако синтез может продолжаться и за точкой инициации, и тогда образуется молекула более длинная, чем исходная. Ничто не запрещает и репликацию с любой случайной точки кольца. Поэтому получались цепочки с различной последовательностью нуклеотидов. Таким образом могли синтезироваться комплиментарные копии небольших кольцевых генераторов, давая большое разнообразие больших и малых линейных молекул, что приводило к накоплению материала первичного разнообразия нуклеиновых кислот (рис. 4.4).

Теперь мы можем сделать следующий шаг предположив, что эти нуклеотиды могли дифференцироваться по функциям:

- циклический генератор взял на себя функцию хранения информации (прогеном),

- циклические копии - функции мРНК, а

- линейные копии - функции тРНК и рРНК. На этом этапе нас подстерегает главная трудность - необходимо объяснить возникновение 60 типов современных тРНК и обеспечивающих их функционирование ферментов. Возможный выход из этого тупика заключается в том, что современные 24 аминокислоты, используемые при синтезе белка, подразделяются на четыре группы:

Небольшие первичные нуклеиновые кислоты, наличие которых мы предполагаем, могли без потери функции взаимодействовать с любой из аминокислот, принадлежащей к одной из таких групп. Тогда наша задача сужается - мы должны определить возможный механизм подбора тРНК только для четырех групп аминокислот.

Один из возможных способов состоит в следующем: короткий отрезок последовательности оснований у одного из концов взаимодействовал избирательно с аминокислотами одной группы в силу специфики заряда, водородных связей или других слабых взаимодействий, другой конец нуклеотида выступал в качестве антикодона. Более крупные тРНК представляют собой продукты дальнейшей эволюции как и ферменты, связанные с ними.

Еще одно затруднение, связано с тем, что нам не известны причины по которым в ходе ранней эволюции появился единый и именно такой генетический код. Однако, если бы не было глубоких химических и физических причин появления именно такого кода, то следует ожидать, что мы обнаружим какие-то другие коды у бактерий, таксономически далеко отстоящих друг от друга.

Последний этап в процессе синтеза белка в клетке, который требуется воспроизвести, это происхождение механизма трансляции. Согласно гипотезе К. Фолсома, протоорганизмы содержали кроме генераторной нуклеиновой кислоты циклические РНК и семейство коротких молекул первичных тРНК, каждая из которых связана с аминокислотой, соответствующей ее дискриминатору. Для того чтобы нам стала ясна картина получения пептида со специфической последовательностью необходимо лишь представить, как первичная молекула тРНК, несущая аминокислоту, взаимодействовала с матрицей так, что аминокислоты располагались в нужной последовательности. Линейные копии, образовавшиеся на генераторе, в силу своего происхождения должны содержать участки комплиментарные цепи про-мРНК. По правилу комплиментарности антикодоны про-тРНК взаимодействовали с первичной мРНК так, что между соседними аминокислотами образовывалась пептидная связь (рис. 4.5). Конечно, во многих случаях процесс давал сбои, останавливался, но впереди были миллионы лет и неисчислимое количество попыток и вариантов. Как отмечает сам К. Фолсом: "Все остальное - дело истории" - правда добавляя - "В прочем, так ли это?".

4.3. Развитие генома

Какие же изменения произошли с геномом в ходе эволюции? Во-первых, изменилась относительная частота определенных нуклеотидных последовательностей. Во-вторых, общее количество ДНК сначала увеличилось, а на поздних этапах уменьшилось.

Хайнгарднер (Hinegardner, 1976) разделил вес организмы на четыре класса, исходя из содержания в них ДНК (рис. 4.6).

К первому классу он отнес прокариот. Они не могут вырабатывать большое количество ДНК, так как у них отсутствует механизм ее равномерного распределения в процессе клеточного деления.

Второй класс составляют грибы.

К третьему классу относятся большая часть животных и многие растения. У видов внутри этого класса обнаружена наибольшая гетерогенность в отношении их среды обитания, анатомии и физиологии.

К четвертому классу принадлежит целый ряд относительно примитивных растений (в том числе голосеменных), саламандры и некоторые примитивные рыбы. Большинство из этих видов высоко специализированнные формы.

Слишком большое количество ДНК причиняет организму только вред. Как у животных, так и у растений существуют филогенетические линии, которые эволюционируют очень медленно. Как правило, они содержат больше ДНК, чем родственные виды быстро развивающихся групп. В качестве примера можно привести Psilophida, двуякодышащих и кишечнополостных. Большая часть их генома не несет никакой информации, и избыточное количество ДНК, очевидно, препятствует эффективной изменчивости организма. Чем более постоянна окружающая среда, тем меньше скорость эволюции существующих в этой среде видов. Глубоководные виды рыб, живущие в чрезвычайно постоянной, но в то же время очень специфической среде, обладают ДНК-богатым геномом по сравнению с рыбами, живущими у поверхности воды в зоне, подверженной сильным изменениям. А наземные позвоночные обычно содержат еще меньше ДНК, чем водные.

Отвечая на вопрос: Как развивался геном эукариотов? - прежде всего следует выяснить каким образом могло происходить увеличение его размеров. Самым простым ответом на этот вопрос был бы такой: геном возник в результате многократных, следующих друг за другом дупликаций. Однако такой ответ не проясняет нам каким образом происходило разделение функций. Возможной подсказкой здесь является изучение строения белков. Например, прекрасным примером служат антитела. В сильно упрощенном виде молекулу антитела можно изобразить следующим образом:

(VH)(CH1)(CH2)(CH3).

Все четыре участка гомологичны друг другу, и соответствующие им гены, по-видимому, произошли от одного общего предкового гена. Такая структура может возникнуть в результате дупликации какого-либо одного структурного гена. Конечно простое увеличение копий ДНК не приводит к появлению новых функций (как в случае полиплоидов), однако при однократном удвоении генома обе его части могут развиваться дальше и накапливать разные мутации независимо друг от друга.

Генная инженерия (Дополнительно)

Поскольку последовательность нуклеотидов в ДНК определяет строение белка можно создав искусственный ген (то есть искусственную ДНК) заставить клетку производить нужные нам белки. Впервые такую операцию проделал Корана (Har Bind Korana). Генетическая инженерия означает изменение генома организма посредством манипуляций над его ДНК. Некоторые исследователи предвидят даже такое время, когда станет возможным вводить в яйцеклетку человека или в зародыш на ранних стадиях его развития какие-нибудь недостающие гены и тем самым избавлять людей от страданий, вызываемых наследственными заболеваниями.

Предположим, что вам нужно ввести какой-то ген, то есть отрезок ДНК, в другую цепь ДНК. Сама возможность подобного манипулирования генами обусловлена комплементарностью цепей ДНК и существованием ферментов, создающих точные копии молекул ДНК, а также некоторых других ферментов, которые разрывают ДНК в строго определенных местах и соединяют их определенным образом.

Первый шаг состоит в том, чтобы выделить и очистить подходящий фрагмент ДНК, содержащий тот ген, который надлежит перенести. Очень трудно или вообще невозможно иметь дело с одиночными молекулами. В случае с ДНК задачу упрощают реплицирующие ферменты. С их помощью одну единственную молекулу ДНК можно размножить - клонировать. После чего ген вводят в небольшую кольцевую молекулу ДНК, называемую плазмидой (рис. 4.7). Эта плазмида проникая в бактериальную клетку разделяет судьбу бактериальной ДНК, то есть делится и передается по наследству. А так как белок, синтезируемый на основе человеческого гена, бактерии не нужен он собирается и выбрасывается наружу. Таким образом сейчас получают фермент инсулин, белок интерферон.

Список литературы

Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биология. - М.: Мир, 1990. - Т. 1. - 368 с.

Зенгбуш П. Молекулярная и клеточная биология. - М.: Мир, 1982. - Т. 2. - 440 с.

Кемп П., Армс К. Введение в биологию. - М.: Мир, 1988. - 672 с.

Основы общей биологии. - М.: Мир, 1982. - 440 с.

Стент Г., Кэлиндар Р. Молекулярная генетика. - М.: Мир, 1981. - 646 с.

Уотсон Д. Молекулярная биология гена. - М.: Мир, 1978. - 720 с.

Фолсом К. Происхождение жизни. - М.: Мир, 1982. - 160 с.

Лекция 5

Клеточная теория

5.1. История изучения клетки

В 1665 г. англичанин Роберт Гук (Robert Hook) писал: "Взяв кусочек чистой светлой пробки, я отрезал от него ... острым как бритва перочинным ножом ... очень тонкую пластинку. Когда затем я поместил этот срез на черное предметное стекло ... и стал разглядывать его под микроскопом, направив на него свет ... я очень ясно увидел, что весь он пронизан отверстиями и порами ... эти поры, или ячейки, были не слишком глубокими, а состояли из очень многих маленьких ячеек, вычлененных из одной длинной непрерывной поры особыми перегородками ... Такое строение свойственно не одной только пробке. Я рассматривал при помощи своего микроскопа сердцевину бузины и различных деревьев, а также внутреннюю мякоть полого стебля тростника, некоторых овощей и других растений: фенхеля, амброзии, моркови, лопуха, ворсянки, папоротника ... и т.п. И обнаружил у всех у них тот же план строения, что и у пробки". Именно этому натуралисту человечество обязано появлением термина "клетка" и двухвековым заблуждением, когда считалось, что клетки пустые, а живое вещество - это клеточные стенки. Сам же микроскоп был изобретен гораздо раньше, еще в 1590 г. Янсоном (Jansen), но долгие годы он оставался скорее игрушкой, чем орудием исследования. Лишь в начале XIX века резкое улучшение качества линз (1827, Dollano) обострило интерес к микроскопу вообще и как инструменту исследований в частности.

В 1838-1839 годах Маттиас Шлейден (Schleiden, ботаник) и Теодор Шванн (Schwann, зоолог) объединили идеи разных ученых и сфомулировали "клеточную теорию", которая постулирует, что основной единицей структуры и функции в живых организмах является клетка. В 1855 г. Рудольф Вирхов (Virchov) дополнил клеточную теорию тезисом о том, что клетки образуются из других клеток путем клеточного деления.

Первым среди органелл было открыто ядро, как характерное сферическое тело, обнаруживаемое в растительных клетках (1831, Robert Brown). В 1840 г. Пуркинье (Purkinje) предложил название "протоплазма" для клеточного содержимого, убедившись в том, что именно оно, а не клеточные стенки, представляет собой живое вещество. Позднее был введен термин "цитоплазма", отражающий новые данные о специфике ядра. Другой важной вехой в изучении клетки явились исследования Геккеля (1866), в которых он показал, что хранение и передача наследственной информации осуществляется ядром.

Конец XIX века ознаменовался открытием основных органелл клетки: с 1880 по 1898 гг были открыты пластиды, митохондрии, аппарат Гольджи, изучено клеточное деление и описаны хромосомы. Одновременно с этим совершенствуются микроскопы, методы фиксации, окрашивания препаратов и приготовления срезов. Цитология - наука изучающая клетку во всем ее разнообразии и во всех ее жизненных проявлениях, претерпевает бурное развитие.

Новый всплеск интереса к цитологии произошел после широкого распространения в биологии с 1946 года электронного микроскопа (изобретенного в 30-ых годах XX века).

Фундаментом современной цитологии и самым важным ее открытием является "клеточная теория". Основные положения которой следующие:

- клетки представляют собой основной элемент жизни - мельчайшие единицы, которые еще можно назвать живыми;

- все организмы состоят из одной или многих клеток;

- все клетки образуются только в результате деления других клеток.

5.2. Про- и эукариотические организмы

Начиная с 60-ых годов XX века постепенно становилось ясно, что в мире живых организмов наиболее резкая граница проходит не между растениями и животными, а между организмами, клетки которых содержат ядро, и теми, которые их лишены. В отношении биохимии, метаболизма, генетики и внутриклеточной организации растения и животные очень сходны, но все они отличаются по этим признакам от бактерий. Осознание этого резкого различия имеет важное значение для понимания ранних стадий биологической истории.

Организмы, клетки которых содержат ядро, называются эукариотическими (эу - хорошие, настоящие). Название прокариоты происходит от греческого корня "pro" - перед, до и "karyon" - ядро.

Таблица

Сравнение про- и эукариотических организмов

В плане изучения развития жизни крайне интересно и поучительно провести сравнение между про- и эукариотами по их отношения к кислороду.

Прокариотов можно разделить на несколько групп, сильно различающихся по своим потребностям в кислороде. Можно построить следующий непрерывный ряд

Эукариоты же отличаются завидным единообразием – им всем абсолютно необходимо наличие в среде кислорода.

Это наблюдение ведет к простой гипотезе - прокариоты возникли в период, когда содержание в среде кислорода претерпевало изменения, а эукариоты - позже, когда содержание кислорода в среде было стабильно и относительно высоко.

Одним из указаний на то, что эукариоты всегда были аэробами, служит их деление путем митоза, так как этот процесс не может произойти, если в среде не содержится кислород хотя бы в низкой концентрации.

О большей эволюционной продвинутости эукариотических клеток свидетельствует и наличие большого комплекса органелл (рис. 5.1), многоклеточность, сложная дифференциация организмов эукариот и, наконец, их современное господство в биосфере.

Однако может быть это две параллельные линии развития живой материи, которые не связаны друг с другом генетическими связями?

5.3. Доказательства генетической связи между про- и эукариотами

У анаэробных организмов распад глюкозы происходит в результате брожения: каждая молекула глюкозы расщепляется на две молекулы пирувата в процессе, который называют гликолизом, при этом клетка получает две фосфатные связи. При бактериальном брожении пируват в результате процесса, пируват в результате процесса, не поставляющего клетке энергию в пригодной для использования форме, превращается в такие продукты как молочная кислота или этиловый спирт, плюс двуокись углерода. Все эти продукты выделяются в виде отходов (рис. 5.2).

Метаболизм аэробных организмов осуществляется при помощи дыхания. Он начинается с гликолиза глюкозы, но пируват выступает при этом как субстрат для дальнейшего ряда реакций, составляющих цикл трикарбоновых кислот (цикл лимонной кислоты или цикл Кребса) (рис. 5.3). Сходство первого этапа дыхания эукариот с бактериальным гликолизом столь велико, что невозможно считать это простым совпадением. Предположение же о эволюционной связи этими группами организмов позволяет легко объяснить это сходство.

Дополнительные аргументы в пользу такого предположения дает изучение метаболизма эукариотических клеток в бескислородных условиях. Например, мышечным клеткам при продолжительном напряжении может потребоваться больше кислорода, чем могут поставить легкие и кровь. В условиях кислородной задолженности клетка получает энергию в процессе гликолиза, а молочная кислота транспортируется в печень, где восстанавливается до глюкозы (рис. 5.4). Такое использование молочной кислоты, возможно, представляет собой рудимент более раннего бактериального пути. В сущности, мышечная клетка, оказавшись в состоянии кислородного голодания, возвращается к более примитивной, полностью анаэробной форме метаболизма.

В настоящее время синтез большей части органического вещества на земном шаре обеспечивается зелеными растениями, цианобактериями и некоторыми простешими, осуществляющими процесс фотосинтеза при котором высвобождается кислород. При этом на Земле, существуют и другие формы фотосинтеза. Они встречаются у нескольких групп бактерий, и их значение в настоящее время невелико. Однако, возможно, что в прошлом они играли гораздо более важную роль. Эти несколько групп отличаются друг от друга составом пигментов, но их объединяет одно общее свойство - процесс фотосинтеза не сопровождается выделением кислорода и не может происходить в его присутствии. И если для синтеза хлорофилла "а" эукариот кислород необходим, то синтез бактериального хлорофилла он подавляет. Такой тип фотосинтеза мог возникнуть у примитивных бактерий только при отсутствии атмосферного кислорода. Аэробный фотосинтез является более поздним продуктом эволюции фотосинтетиков.

5.4. Особенности строения эукариотической клетки

.

Клеточные мембраны играют важную роль в силу того, что

- отделяют клеточное содержимое от внешней среды,

- регулируют обмен между клеткой и внешней средой,

- делят клетку на отсеки (компартменты), где происходят различные те или иные метаболические процессы,

- на мембранах протекают многие биохимические процессы, например, световые реакции фотосинтеза или реакции окислительного фосфолирования при дыхании),

- на мембранах располагаются рецепторные участки для распознавания внешних стимулов.

Липиды в мембранах представлены фосфолипидами (большая часть) (рис. 5.5), гликолипидами и стеролами (из последних чаще всего встречается холистерол, молекулы которого неполярны).

Современная жидкостно-мозаичную модель строения клеточной мембраны была предложена в 1972 г. Сингер и Николсон (Singer, Nicolson), работавшие в Калифорнийском университете. Согласно их представлениям белковые молекулы, плавающие в жидком липидном бислое, образуют в нем как бы своеобразную мозаику (рис. 5.6). Картина приобрела динамичность: вместо застывшего трехслойного пирога появились белки-айсберги свободно плавающие в липидном море и иногда удерживаемые на месте микрофибриллами. Предполагается, что в белковых молекулах или между соседними белковыми молекулами имеются гидрофильные каналы или поры. Некоторые мембранные белки лишь частично погружены в мембрану, тогда как другие пронизывают всю его толщу.

Кроме белков-ферментов, специфических рецепторов, переносчиков электронов и т.п. в мембранах имеются гликопротеины (рис. 5.6.E). Их гликозильные группы имеют определенную конфигурацию, а основная их функция - распознавание внешних сигналов. Распознающие участки соседних клеток могут связываться друг с другом, обеспечивая тем самым сцепление клеток. С распознаванием связана деятельность и различных регуляторных систем, а также иммунный ответ, в котором гликопротеины играют роль антигенов.