Днк и-рнк

«Сборка» белковой молекулы осуществляется в рибосомах. Здесь происходит трансляция – перевод информации с языка нуклеиновых кислот на язык белков. Трансляция (от лат. translatio – передача) – это синтез полипептидных цепей белков по матрице информационной РНК согласно генетическому коду – второй этап реализации генетической информации в живых клетках. У прокариот (организмы, клетки которых лишены оформленного ядра; представители: бактерии) процессы транскрипции и трансляции не разобщены во времени и в пространстве. У эукариот (организмы, клетки которых обладают ядром, отделенным мембранами от цитоплазмы; представители: грибы, растения, животные) синтезированная и-РНК в ядре покидает его, направляется к месту синтеза белка – рибосомам, расположенным в цитоплазме клетки. Таким образом у эукариот синтез белка происходит вне ядра клетки, т.е. на некотором расстоянии от кодирующей матрицы (ДНК).

Рибосома – органоид клетки, представляющий собой частицу сложной формы, состоящую из двух неравных субъединиц: большой и малой. Диаметр рибосомы около 20 нм (20  10^-9 м). Синтезируемые белковые молекулы в развернутом виде достигают длины 100-200 нм, а длина ДНК достигает примерно 10⁵ нм и в ней может содержаться несколько сотен генов. Несмотря на относительную громоздкость биомолекул все они очень компактно упакованы в живой материи. Это одно из отличительных свойств живой природы от неживой. Синтез белка осуществляет не одна рибосома, а целая группа, включающая несколько десятков рибосом (до 100), объединенных нитевидной молекулой информационной РНК. Такую группу рибосом называют полисомой.

В процессе трансляции информация о специфическом строении будущего белка, записанная в виде последовательности нуклеотидов в молекулах и-РНК (см. выше о транскрипции), переводится с нуклеотидного кода в определенную последовательность аминокислот в синтезируемых белках. Это осуществляется сложным макромолекулярным комплексом, состоящим кроме и-РНК из рибосом, т-РНК, аминоацил-т-РНК-синтетаз, белковых факторов инициации (начала), элонгации (удлинения, наращивания полипептида), терминации (окончания) трансляции и др.

По мере сборки белковой молекулы рибосома, имеющая малый размер «ползет» по и-РНК (см. рис.3.3). В это же время из окружающей среды непрерывным потоком идут молекулы т-РНК с «навешанными» на них аминокислотами. Они проходят, задевая своим кодовым концом место контакта рибосомы с и-РНК, который в данный момент находится в рибосоме. Противоположный конец т-РНК, несущий аминокислоту, оказывается при этом вблизи места «сборки» белка. Однако только в том случае, если кодовый триплет т-РНК окажется комплементарным к триплету информационной РНК, находящемуся в данный момент в рибосоме, аминокислота, доставленная т-РНК, попадает в состав молекулы белка и отделится от т-РНК. Тотчас же рибосома делает шаг вперед по и-РНК на один триплет, а «освободившаяся» транспортная РНК выбрасывается в окружающую среду на поиски молекулы аминокислоты, найдя, несет ее в любую из рибосом полисомы. Диаметр одной рибосомы примерно равен удвоенной длине трех нуклеотид – одного триплета. Так постепенно триплет за триплетом, движется по информационной РНК рибосома и растет звено за звеном полипептидная цепь.

Рис. 3.3. Схема синтеза белка (полипептида) в одной рибосоме:

– фермент, белок синтеза; 1 – малая субъединица рибосомы; 2 – большая субъединица рибосомы; аминокислоты: гли – глицин, сер – серин, ала – аланин, фен – фениланин, лей – лейцин.

В живой клетке синтез одной молекулы белка, состоящий из 200-300 аминокислотных звеньев, завершается в течение 1-2 минут. В лабораторных условиях, искусственный синтез белка требует огромных усилий, много времени и средств. Первым в лабораторных условиях был синтезирован белок инсулин, полипептидная цепь которого состоит лишь из 51 аминокислотного остатка. Для его синтеза потребовалось провести около 5000 операций. В этой работе принимали участие 10 человек в течение 3 лет. В 1969 г. в лабораторных условиях синтезировали белок рибонуклеазу, для чего потребовалось выполнить 11000 операций. Таким образом, получение продуктов питания человека, например, мяса из неорганических компонентов окружающей среды, несбыточная фантазия. К тому же такие продукты могут существенно повредить здоровье, обусловив заболевания и мутацию организмов. Следует учесть, что мутагенным (т.е., приводящим к появлению мутаций с повышенной частотой) действием обладают, например, аналоги азотистых оснований нуклеиновых кислот.

Любой живой организм является очень сложным тонконастроенным механизмом с позиций техники. Для жизнедеятельности лишь одной клетки человека необходимо согласованное протекание более 10000 реакций [5]. Клетки же человеческого организма дифференцированы, поэтому в разных клетках протекают как однотипные, так и различающиеся реакции и их сумма достигает многих сотен тысяч, что соответствует индустрии человечества в глобальном масштабе. Положим, один завод имеет 50 цехов, в каждом из которых реализовано 3-5 разных реакций. В итоге здесь имеют место максимум 250 реакций.

Из сказанного понятно сколь бережным должно быть отношение человека и к самому себе и к живым организмам других видов. Ведь они являются базой его жизненных процессов, ниже, в других разделах мы поясним это.

Более подробную информацию о биохимических процессах, протекающих в живых организмах можно почерпнуть из школьных учебников по биологии для 10-11 классов или учебников для вузов, например в [5].

Кратко охарактеризуем функции белков в любом живом организме:

1. строительный материал клеток (из белков состоят мембраны клеток и клеточных органоидов, стенки кровеносных сосудов, сухожилия, хрящи и т.д.);

2. катализаторы биохимических реакций в организме – ферменты (они ускоряют реакции в десятки и сотни миллионов раз);

3. гормоны (регуляторы), управляют активностью ферментов, вызывают биохимическую активность; например, белковый гормон инсулин обеспечивает захват клетками питающей их глюкозы, при его недостатке в крови в избытке накапливается неиспользованная глюкоза;

4. транспортная (белок крови гемоглобин «захватывает», связывает, и доставляет кислород);

5. защитная (антитела и токсины): белки-антитела блокируют и обезвреживают чужеродные вещества;

6. сигнальная: в поверхностную мембрану клетки встроены молекулы белков, способных изменять свою третичную структуру в ответ на действие факторов внешней среды, так происходит прием сигналов из внешней среды и передача команд в клетку;

7. двигательная: все виды движения к которым способны клетки у высших животных, в том числе и сокращение мышц, а также мерцание ресничек у простейших, движения жгутиков, выполняют особые сократительные белки;

8. энергетическая, при расщеплении белка, при распаде химических связей выделяется 16,7 кДж/г энергии.

В клетках разных видов живых организмов происходит синтез нуклеиновых кислот, белков, углеводов, жиров, клетки растут. Вместе с тем, любая форма активности – движение, секреция, биосинтез и др. нуждается в затрате энергии. Реакции с распадом химических связей в организмах в большинстве случаев сопровождаются выделением энергии. При этом сложные вещества распадаются на более простые, высокомолекулярные – на низкомолекулярные. Например, белки распадаются на аминокислоты, крахмал на глюкозу. Эти вещества в свою очередь расщепляются на еще более низкомолекулярные соединения, и в конце концов образуются совсем простые вещества, прежде всего вода (Н₂О) и углекислый газ (СО₂). В результате, из клеток выводятся разнообразные продукты обмена и вещества, синтезированные в них.

Синтез веществ, идущий в клетке, называют биосинтезом. Совокупность реакций биологического синтеза называют ассимиляцией. Совокупность реакций расщепления (разрыва) химических связей в биомолекулах называют диссимиляцией. Совокупность всех ферментативных реакций клетки, т.е. совокупность ассимиляции и диссимиляции, связанных между собой и с внешней средой, называют обменом веществ и энергии.

Отражением сложных микропроцессов, идущих в любом живом организме, являются следующие признаки живых организмов на макроуровне:

• определенный химический состав (у всех живых организмов одни и те же химические элементы – биогены: углерод (С), азот (N), водород (Н), кислород (О), фосфор (Р), сера (S), кальций (Са) и др. – объединены в биокомпоненты определенной структуры – ДНК, РНК, белки и др.);

• самоорганизация химического состава: структура ДНК «задает» определенную структуру полипептида белка;

• раздражимость – ответ на воздействие;

• подвижность

• изменчивость (наследственная (генетическая) и ненаследственная (модификационная))

• адаптация (приспособление к условиям внешней среды, частный случай изменчивости);

• старение (разрушительный процесс возрастных изменений, ведущий к снижению адаптационных возможностей организма, увеличению вероятности смерти);

• смерть (конечный срок существования объектов, прекращение жизнедеятельности организма, гибель его как обособленной целостной системы).

Указанные признаки типичны для большинства живых организмов, но бывают исключения. Например, рабочие пчелы и муравьи не способны к воспроизведению потомства. Можно привести и иные примеры исключения относительно других признаков, или обнаружить нечто подобное в неживой материи, например, рост кристаллов и т.д. Наблюдения показывают, что свойства (признаки) живого не носят исключительного характера и по отдельности обнаруживаются и среди объектов неживой природы. Мы лишь сделали общие наброски. Они свидетельствуют о сложности окружающего нас мира и нас самих. Явления и признаки практически невозможно ограничить какими-либо жесткими характеристическими рамками, всегда присутствует некоторая размытость. Нет и четкой границы между свойствами живого и неживого.

Выше рассмотрены процессы, обусловливающие жизнь на молекулярном и клеточном уровнях. Всего выделяют 9 следующих уровней организации живой материи (рис.3.4):

Рис. 3.4. Уровни организации живой материи

Жизнь на Земле представлена индивидуумами определенного строения, принадлежащим к определенным систематическим группам, а также сообществам разной сложности; индивидуумы обладают молекулярной, клеточной, тканевой, органной структурностью. Сообщества бывают одновидовые и многовидовые; индивидуумы и сообщества организованы в пространстве и во времени.

Молекулярный уровень организации живой материи составляет предмет молекулярной биологии, изучающей строение белков, их функции, роль нуклеиновых кислот в хранении, репликации и реализации генетической (наследственной) информации – процессы синтеза ДНК, РНК, белков; на этом уровне достигнуты большие практические успехи в области биотехнологии и генной инженерии.

На уровне субклеточных (надмолекулярных) структур изучают строение и функции органоидов: хромосом, митохондрий, рибосом и др.; также других включений клетки.

Клеточный уровень организации живой материи изучает биология клетки – цитология, она изучает морфологические организации клетки, специализации клеток, функции клеточных мембран, механизмы и регуляцию деления клетки, именно на этом уровне решают проблему рака.

На органотканевом уровне основная проблема заключена в изучении особенностей строения и функций отдельных органов и составляющих их тканей.

На организменном уровне изучают особь и свойственные ей как целому черты строения, физиологические процессы, в том числе дифференцировку, механизмы адаптации и поведения, функции центральной нервной системы.

На популяционно-видовом уровне изучают факторы, влияющие на численность популяций, проблемы сохранения исчезающих видов, динамики генетического состава популяций, действие факторов микроэволюции (в основе лежат мутационные процессы) и т.п. Для хозяйственной деятельности человека важны такие проблемы популяционной биологии, как контроль численности видов, наносящих ущерб хозяйству, поддержание оптимальной численности эксплуатируемых и охраняемых популяций.

На биоценотическом и биогеоценотическом уровнях ведущими являются проблемы взаимоотношений организмов в биоценозах, условия, определяющие их численность и продуктивность биоценозов, устойчивость последних и роль влияний человеа на сохранение биоценозов и их комплексов.

На биосферном уровне современная биология решает глобальные проблемы, например, определение интенсивности образования свободного кислорода растительным покровом Земли или изменения концентрации углекислого газа в атмосфере, связанного с деятельностью человека.

Разделение живой материи и проблем биологии по уровням организации хотя и отражает объективную реальность, но и условно. Почти все конкретные задачи биологии касаются одновременно нескольких уровней, а нередко и всех сразу. Например, проблема регулирования численности опирается на молекулярный уровень, но касается также всех вышестоящих, включая такие аспекты, как загрязнение всей биосферы.

Основная область компетенции экологии (см. рис.3.4) – уровень экологических систем (экосистем) – уровень 8, но она простирается и на последующий девятый уровень, а также на четыре предыдущих (3, 5, 6, 7); если учесть, что существует большая группа одноклеточных организмов (например, бактерии, некоторые водоросли, амебы, инфузории).

По уровню организации живых систем в общей (биологической) экологии выделяют:

- аутэкологию (см. уровни: 3, 5)

- демэкологию (см. уровень 6)

- синэкологию (см. уровень 7, 8)

- глобальную (см. уровень 9)

Самая высокая таксономическая (групповая) категория в системе организмов, официально признаваемая ныне действующими Международными кодексами ботанической и зоологической номенклатуры, а также Международным кодексом номенклатуры бактерий – царство; наименьшая – подвид [4]. Подвид – совокупность географически (реже экологически и геохронологически) обособленных популяций вида, в которых большинство (75%) особей отличаются одним или несколькими признаками (обычно по форме и строению) от особей другой популяции того же вида. Строгое общепринятое понятие вид до сих пор не разработано [4]. Вид – основная структурная единица в системе живых организмов. Обычно под биологическим видом понимают совокупность популяций всех особей, способных к скрещиванию с образованием плодовитого потомства, населяющих определенный ареал, обладающих рядом общих морфо-физиологических признаков и типов взаимоотношений с абиотической и биотической средой и отделенных от других таких же групп особей практически полным отсутствием гибридных форм [4].

Сегодня в биологии нет общепринятой системы организмов. Это во многом обусловлено интенсивным и быстрым развитием данной науки. Рядом исследователей предложено ввести категорию – надцарство. Современную систему организмов можно представить в следующем виде:

А. Надцарсто Доядерные организмы, или Прокариоты (Procaryota):

1. Царство Бактерии (Bacteriobionta)

2. Царство Архебактерии (Archaebacteria, Archaebacteriobionta)

Б. Надцарство Ядерные организмы, или Эукариоты (Eucaryota):

I. Царство Животные (Animalia, Zoobiota)

1. Подцарство Простейшие (Protozoa, Protozoobionta)

2. Подцарство Многоклеточные (Metazoa, Metazoobionta)

II. Царство Грибы (Fungi, Mycobiota, Mycetalia или Mycota)

III. Царство Растения (Vegetabilia, Phytobiota или Plantae)

1. Подцарство Багрянки (Rhodobionta)

2. Подцарство Настоящие водоросли (Phycobionta)

3. Подцарство Высшие растения (Embryobionta).

В естествознании имеет место еще более широкая система соподчинения систематических единиц живой материи, включающая вирусы. Приведем наименования этих единиц:

• империя (доклеточные – вирусы и клеточные);

• надцарство (безядерные и ядерные);

• царство (бактерии, грибы, растения, животные);

• подцарство (одноклеточные, многоклеточные);

• тип (например, членистоногие);

• класс (например, насекомые);

• отряд (например, чешуекрылые или, иначе говоря, бабочки);

• семейство (например, белянки);

• род (например, белянка);

• вид (например, капустная белянка).

Систематизация – дело сложное. В научном мире по этому поводу отсутствует единое мнение. Осветив вопрос лишь в общих чертах, остановимся на приведенных выше примерах, не претендуя на абсолютную истину.

В экологии различают следующие биотические сообщества (слово сообщество часто понимают как синоним слова биоценоз). Микробоценоз – сообщество микроорганизмов (размер не превышает 500 мкм), обитающих на общей территории и находящихся в определенных взаимоотношениях. Формируют микробоценоз бактерии, простейшие, микроскопические грибы и одноклеточные растения. Основная функция этого сообщества – средообразование, формирование почвы. Фитоценоз (растительное сообщество) – совокупность растений на относительно однородном участке земной поверхности, совместно продуцирующих органическое вещество. Зооценоз – совокупность многоклеточных совместно обитающих на общей территории животных. Микробоценоз, фитоценоз и зооценоз на данной общей территории (биотопе) образуют биоценоз. Биоценоз – одна из основных частей экосистемы.