БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЖИЗНИ

ЛЕКЦИЯ 10

Прежде всего, необходимо дать определение того, что же такое жизнь, что в первую очередь отличает живую природу от неживой. С биологической точки зрения, живым называется всякий объект, способный к самовоспроизведению и воспроизведению себе подобных, т.е. размножению.

Клетки – это структурные и функциональные единицы живых организмов. Все живые организмы состоят из клеток. Клетки различаются по форме, размерам и функциям. Открытие клетки принадлежит английскому ученому Р.Гуку, который в 1655 г. сконструировал микроскоп. В 1838-1839гг. немецкие ученые ботаник М. Шлейден и зоолог Т.Шванн обобщили имевшиеся знания о клетке в единую клеточную теорию, утверждавшую, что основной единицей структуры и функции организма является клетка.

Современная клеточная теория включает следующие пункты:

1. клетка как элементарная живая система, способная к саморегуляции и самовоспроизведению лежит в основе строения и развития всех живых организмов;

2. клеткам присуще мембранное строение;

3. размножение клеток происходит путем их деления;

4. у всех организмов клетки построены по единому принципу, сходны по химическому составу и характеру химических реакций.

Клеточная теория имеет исключительно важное значение для развития биологии и доказывает единство происхождения всех живых организмов на Земле.

В клетках обнаружено около 70 элементов таблицы Менделеева. Наиболее распространены в живых организмах 4 элемента: Н, С, О, N. На их долю приходится более 99% как массы, так и числа атомов. Жизненно необходимыми являются также P, Na, S, K, Cl, Ca, Mg, Fe. В сумме они составляют около 1%. Это макроэлементы. Все остальные химические элементы (Cu, Zn, Co, Mn, Br, I, F и т.д.) содержатся в очень малых количествах (около 0,01%) и относятся к группе микроэлементов. Химические элементы входят в состав неорганических и органических веществ. Неорганические – вода, минеральные соли. Органические – белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты, витамины, гормоны. Относительный состав клетки следующий: вода – 70-85%, белки – 10-20%, липиды – 1-5%, углеводы – 0,2-2%, НК и другие соединения – 1-2,5%, неорганические соединения (кроме воды) – 1-1,5%. Очень важна роль в клетке белков. Одна из важнейших функций – ускорение химических реакций, протекающих в клетке (биологический катализ). Белки, играющие роль биокатализаторов, называются ферментами.

Клетка по существу представляет собой самовоспроизводящуюся химическую систему. Для того чтобы поддерживать в себе необходимую концентрацию веществ, она должна быть физически отделена от своего окружения, вместе с тем должна обладать способностью обмена с этим окружением, т.е. поглощать из среды те вещества, которые требуются ей в качестве сырья, и выводить наружу накапливающиеся отходы. Таким образом, в клетке поддерживается гомеостаз – относительное постоянство внутренней среды. Роль барьера между клеткой и средой играет плазматическая мембрана. Она регулирует обмен веществ, служит границей клетки. В каждой клетке имеется генетический материал в форме ДНК. ДНК воспроизводит самое себя, благодаря чему образуются новые клетки.

До изобретения электронного микроскопа не возможно было рассмотреть структуру клетки. Поэтому для обозначения её содержимого был введен термин «протоплазма». Она представлялась как некая внутриклеточная жидкость, в которой протекают химические процессы. С изобретением электронного микроскопа (1930е гг.) стало понятно, что в клетках содержатся органоиды, каждый из которых выполняет определенную функцию.

Первым среди органелл в 1831 г. было открыто ядро (Роберт Браун впервые описал его). Это самая крупная и важная органелла, поскольку в ядре содержится ДНК и, следовательно, оно регулирует клеточную активность.

Ядро имеется во всех эукариотических клетках за исключением зрелых эритроцитов и члеников ситовидных трубок флоэмы.

Ядро окружено ядерной оболочкой, состоящей из двух мембран. Содержимое ядра называется нуклеоплазмой или ядерным соком. В нём находится хроматин и одно или несколько ядрышек. Хроматин состоит из многих витков ДНК, присоединенных к белкам гистонам. Вся эта структура напоминает бусины. Перед делением ядра происходит сильная спирализация хроматина, и образуются хромосомы. Мысль о том, что именно хромосомы передают генетическую информацию от поколения к поколению, высказывалась еще в начале ХХ века, однако потребовалось еще много лет, чтобы выяснить, что служит генетическим материалом- ДНК или белок хромосом. Ученые были склонны думать, что белок - это единственное вещество, молекулы которого обладают достаточным структурным разнообразием, чтобы служить генетическим материалом. Однако в начале 50-х гг. множество неоспоримых данных, полученных в результате опытов на вирусах, наконец, продемонстрировали универсальность ДНК как носителя генетической информации.

В ядрышке происходит синтез рибосомальной РНК. Рибосомы – органоиды, осуществляющие биосинтез белка.

Теперь следует подробнее ознакомиться со структурой нуклеиновых кислот, представляющих основу наследственности.

Структуру ДНК ученые разных долго пытались установить ученые разных стран. Удалось это сделать английским ученым Дж. Уотсону и Ф. Крику в 1953г. В 1962г. они получили Нобелевскую премию. Выяснение структуры ДНК позволило, наконец, понять, каким образом живые клетки, а значит, и организмы точно воспроизводят себя и как в них кодируется информация, необходимая для регулирования их жизнедеятельности.

Нуклеиновые кислоты состоят из мономеров, которые называются нуклеотидами. Что представляют собой нуклеотиды – мономеры нуклеиновых кислот? Молекула нуклеотида состоит из трех частей – пятиуглеродного сахара, азотистого основания и фосфорной кислоты.

Сахар. Содержит 5 углеродных атомов, т.е. представляет собой пентозу. В зависимости от вида пентозы различают 2 типа НК – рибонуклеиновые и дезоксирибонуклеиновые.

Азотистые основания. В обоих типах НК содержится основания 4х разных видов: 2 из них относятся к классу пуринов (аденин и гуанин), 2 – к классу пиримидинов (цитозин и тимин). В молекулах РНК вместо тимина содержится урацил.

Фосфорная кислота. НК потому являются кислотами, что в их молекуле содержится фосфорная кислота.

Рис. 1. Нуклеозиды

Уотсон и Крик показали, что ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей. Каждая цепь закручена в спираль вправо, и обе они свиты вместе, образуя двойную спираль.

Объединяются две цепи в единую молекулу ДНК при помощи водородных связей, возникающих между азотистыми основаниями нуклеотидов разных цепей. При этом аденин (А) связывается только с тимином (Т) (2 водородные связи), а гуанин (Г) с цитозином (Ц) (3 водородные связи). Благодаря этому свойству последовательность нуклеотидов в одной цепочке определяет последовательность в другой. Такая способность к избирательному соединению нуклеотидов называется комплементарностью. Это свойство лежит в основе образования новых молекул ДНК на базе исходной молекулы.

Одна из самых привлекательных особенностей модели двойной спирали состоит в том, что она одновременно подсказывает, каким способом могла бы происходить репликация (удвоение) ДНК. Уотсон и Крик высказали предположение, что обе цепи, образующие спираль, могут раскручиваться и разделяться, после чего каждая из них служит матрицей, к которой путем спаривания оснований пристраивается комплементарная цепочка нуклеотидов. Таким образом, из каждой исходной молекулы ДНК получаются две копии с идентичной структурой. Последовательность нуклеотидов одной цепи определяет последовательность нуклеотидов другой.

Роль ДНК в клетке заключается в хранении, воспроизведении и передаче генетической информации.

Комбинация азотистых оснований, входящих в состав ДНК, образуют генетический код – химический язык, на котором записана генетическая информация.

Молекулы РНК состоят из одной полинуклеотидной цепочки, которая синтезируется на молекуле ДНК, только вместо тимина в РНК похожее по своим свойствам азотистое основание урацил (У). Кроме того, во всех нуклеотидах РНК находится не дезоксирибоза, а рибоза. РНК участвует в процессе реализации генетической информации, кроме того, РНК обладает выраженной ферментативной активностью, т.е. способностью ускорять и направлять биохимические реакции. Однако можно предположить, что молекулы ДНК стали хранилищем генетической информации в процессе эволюции, а на ранних этапах появления и развития жизни геном формировался из более подвижных и активных молекул РНК. РНК геномы существуют и в современном мире, но только у таких "полуживых" существ, как вирусы.

В клетке имеются разные виды РНК:

-· т-РНК (транспортная РНК) составляет до 10% от всей РНК клетки и состоит из 75-85 нуклеотидов. Молекулы т-РНК транспортируют аминокислоты из цитоплазмы в рибосомы.

-· и-РНК (информационная РНК) состоит из 300 - 30000 нуклеотидов и составляет примерно 5% от всей РНК, содержащейся в клетке. Она представляет собой копию определенного участка ДНК (гена). Молекулы и-РНК выполняют роль переносчиков генетической информации от ДНК к месту синтеза белка (в рибосомы) и непосредственно участвуют в сборке его молекул.

-· р-РНК (рибосомальная РНК) составляет основную часть РНК (около 85 %). Она входит в состав рибосом. Молекулы р-РНК включают 3-5 тыс. нуклеотидов. Считают, что р-РНК обеспечивает определенное пространственное взаиморасположение и-РНК и т-РНК.

Открытие структуры ДНК и способа кодирования генетической информации дало мощнейший толчок к развитию молекулярной биологии.

Белки в клетках выполняют самые разнообразные функции: транспортные, структурообразующие, защитные, двигательные, запасные и каталитические. Белки, также как и НК, состоят из мономерных звеньев - аминокислот (АК) (Рис. 2). В природе в составе белков встречается 20 аминокислот.

Белки синтезируются в процессе трансляции с помощью рибосом, очень сложно устроенных РНК-белковых комплексов, при этом матрицей, которая определяет последовательность АК в синтезируемом белке, является молекула РНК. Постройка полипептидной (белковой) цепи происходит путем образования между молекулами АК пептидных связей (Рис. 5).

Рис. 2. Общий вид природной аминокислоты. R - одна из 20 возможных органических группировок

Рис. 3. Пептидная последовательность белка

Биосинтез белков и свойства генетического кода

Молекула ДНК построена из нуклеотидов 4 типов, в состав которых входят 4 разных основания: аденин, гуанин, тимин, цитозин. Их обозначают начальными буквами названий соответствующих оснований (А,Т,Г,Ц). С помощью этого четырехбуквенного алфавита записаны инструкции для синтеза потенциально бесконечного числа белковых молекул. Если бы одно основание определяло положение одной аминокислоты в первичной структуре какого-то белка, то этот белок мог бы содержать только 4 вида аминокислот. Если бы каждая аминокислота кодировалась двумя основаниями, то с помощью такого кода можно было бы определить 16 аминокислот. Только код, состоящий из троек оснований (триплетов), мог бы обеспечить включение в молекулы всех 20 аминокислот. В такой код входит 64 разных триплета.

В синтезе белков участвуют нуклеиновые кислоты 2х типов – ДНК и РНК, взаимодействующие друг с другом.

Суть процесса биосинтеза белка состоит в том, что нуклеотидная последовательность ДНК копируется (транскрибируется) с образованием мРНК, переходящей из ядра в цитоплазму. Оказавшись в цитоплазме, нить мРНК прикрепляется к рибосомам, где нуклеотидная последовательность мРНК транслируется в аминокислотную последовательность белка. Каждая аминокислота связывается с соответствующей тРНК, которая присоединяется к комплементарному триплету снований мРНК. Аминокислоты, оказавшиеся в результате этого рядом друг с другом, соединяются, образую полипептидную цепь. Таким образом, для белкового синтеза необходимы ДНК, мРНК, рибосомы, тРНК, аминокислоты, АТФ как источник энергии, а также различные ферменты.

Ген - участок такой цепочки, управляющий, упрощённо говоря, синтезом одного белка. От того, какие белки, и насколько активно будут синтезироваться в организме, решающим образом зависят вид и функционирование этого организма; поэтому биологи уделяют генам такое пристальное внимание.

Обратите внимание - гены лишь кодируют белки и не более того; в них отнюдь не содержится буквального описания генетически заданных признаков, таких как рост в сантиметрах. Вместо этого ген может содержать более или менее активную программу синтеза гормона соматотропина, собственно и активизирующего увеличение роста человека в детстве и отрочестве.

Свойства кода

1. Кодом, определяющим включение аминокислоты в полипептидную цепь, служит триплет оснований в полинуклеотидной цепи ДНК.

2. Код универсален: одни и те же триплеты кодируют одни и те же аминокислоты у всех организмов.

3. Код является вырожденным: данная аминокислота может кодироваться более чем одним триплетом.

4. Код неперекрывающийся: например, последовательность мРНК, начинающаяся с нуклеотидов АУГАГЦГЦА, не считывается как АУГ/УГА/ГАГ… (перекрывание по двум основаниям) или АГУ/ГАГ/ГЦГ (перекрывание по одному основанию).

Некоторые кодоны служат стартовыми сигналами – означают начало полипептидной цепи (АУГ – кодон метионина), есть кодоны (такие как УАА), которые не кодируют ни одну аминокислоту, а служат стоп-сигналами, т.е. означают конец полипептидной цепи.

В целом общий вид процесса воспроизводства и реализации генетической информации в большинстве живых организмов можно представить как триаду последовательных реакций:

· Репликация.Синтез дочерней ДНК на ДНК-матрице;

· Транскрипция. Синтез РНК на ДНК-матрице;

· Трансляция.Синтез белка на РНК-матрице.