Раздел 6. Структурные уровни организации живой материи

Проявление жизни на Земле чрезвычайно разнообразно. Все это многообразие живого находится в иерархической соподчиненности, системности и органической целостности. В соответствии с иерархической соподчиненностью и на основе критерия масштабности выделяют пять уровней организации живой материи: молекулярно-генетический; клеточный; организменный; популяционно-видовой; биосферный.

6.1. Молекулярно-генетические основы жизни на Земле

Молекулярно-генетический уровень – это самый глубинный уровень, на котором совершается переход от атомно-молекулярного уровня неживой материи к макромолекулам живого, которыми являются нуклеиновые кислоты, белки, фосфорорганические соединения, углеводы, липиды (жиры).

Фундаментальную основу жизни, то есть способность сохранять и передавать наследственную информацию организма, несут на себе молекулы ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты), которые находятся в ядре клетки, а также молекулы РНК (рибонуклеиновые кислоты), которые могут считывать информацию ДНК и строить соответствующие белки для жизнеобеспечения организма.

Наследственная информация заключена в полинуклеотидной структуре молекулы ДНК. Две ее полинуклеотидные цепи, закрученные относительно друг друга, образуют двойную спираль. Каждая из полимерных цепей двойной спирали построена из нуклеотидов (мономеров) четырех типов. Нуклеотиды имеют сахарофосфатную структуру с присоединенным основанием, которые различаются между собой и носят названия: аденин (А), гуанин (G), цитозин (С) и тимин (Т). Благодаря этим азотистым основаниям, две цепи объединяются за счет водородной связи и закручиваются в двойную спираль. Причем водородные связи могут образовываться только между аденином и тимином, гуанином и цитозином. Эти пары оснований называют комплементарными (дополняющими друг друга), а способ построения двойной спирали – принципом комплементарности.

Структурная модель ДНК в виде двойной спирали была предложена в 1953 году американским биохимиком Дж. Уотсоном и английским биофизиком Ф. Криком. Английский биофизик М. Уилкинс методом рентгеноструктурного анализа подтвердил эту модель. Все трое за данную работу были удостоены Нобелевской премии в 1962 году.

Диаметр молекулы ДНК составляет примерно 2 нм, расстояние между соседними парами оснований спирали 0,34 нм, полный оборот спирали завершается через 10 пар оснований, а длина зависит от организма, которому принадлежит эта молекула ДНК. У простейших вирусов ДНК содержит несколько тысяч звеньев, у бактерий – миллионы, у высших организмов – до миллиарда. ДНК человека содержит примерно 10⁹ звеньев.

Двойная спиральная молекула ДНК размещена в ядре клетки. Несмотря на размеры, она столь искусно упакована, что имеется доступ к каждому ее отдельному участку – гену.

Ген – это участок молекулы ДНК, содержащий информацию о синтезе одного из белков организма.

Геном – это совокупность генов, содержащихся в одинарной хромосоме данного организма.

Генотип – это единая система всех генов организма, находящихся в сложном взаимодействии между собой и содержащая полную информацию о его генетической конституции.

Хромосома – это структурная единица ядра клетки, содержащая ДНК, в которой заключена вся наследственная информация организма. При делении клетки происходит самоудвоение и распределение хромосомы по дочерним клеткам, что обеспечивает передачу наследственных признаков организма следующему поколению.

Расшифровка генома организма, в частности, человека, сельскохозяйственных растений и животных имеет чрезвычайно важное значение. Это своего рода ключ к разгадке тайны жизни. По значимости оно сопоставимо с открытием строения атома.

В 1988 году по инициативе Дж. Уотсона была создана международная организация «Геном человека». В 2003 году в средствах массовой информации прошло сообщение о том, что геном человека в основном расшифрован. По оценкам геном человека включает около ста тысяч генов.

Значимую роль в жизнеобеспечении организма и его функционировании играют молекулы РНК (рибонуклеиновые кислоты). Именно молекулы РНК считывают информацию, закодированную в генах о строительстве того или иного белка и синтезируют этот белок. Молекула РНК в сотни раз короче молекулы ДНК. В соответствии с представлениями генетики она образована одной полинуклеотидной цепью, в которой вместо дезоксирибозы находится рибоза, а азотистое основание – тимин заменено на урацил (U). Различают информационные, транспортные и рибосомные РНК (u-РНК, т-РНК, р-РНК). Информационная u-РНК строится комплементарно одной из цепей ДНК. Процесс формирования u-РНК осуществляется специальным ферментом – полимераза и называется транскрипцией. Место посадки полимеразы определяется кодом, который имеется в начале гена. Только двигаясь с этого места полимераза способна начать синтез u-РНК. В конце гена содержится код, означающий конец транскрипции.

Готовая молекула u-РНК снимает информацию о синтезе белка с небольшой части молекулы ДНК, обычно одного гена, переносит информацию через ядерную мембрану в рибосому и определяет порядок расположения аминокислот в белковой молекуле. Транспортная т-РНК осуществляет поставку нужных аминокислот в рибосому для строительства этого белка.

Структура белков является еще одной отличительной особенностью вещественного основания живой материи. Все аминокислоты, входящие в состав белков, являются левовращающими плоскость поляризации света, а в нуклеиновых кислотах – только правовращающие сахара. Живые системы организованы так, что РНК из «правых» сахаров при синтезе белка присоединяют к себе только «левые» аминокислоты. Это свойство структуры живого называют молекулярной хиральностью, или асимметрией правого и левого, в то время как молекулы неорганических веществ построены симметрично. Исследования последних лет показали, что только в хирально чистых растворах может возникать биологически значимое удлинение цепочки полинуклеотидов, т.е. создание структур типа ДНК, и процесс саморепликации, то есть самоудвоение структур, с сохранением наследственной информации.

Сама молекула ДНК как носитель наследственной информации формируется также по законам асимметрии. Ее двойная спираль образует исключительно правовинтовую систему. Левовинтовой двойной спирали ДНК, как зеркально отраженной правой, не бывает даже у близнецов. Это означает, что каждый живой организм индивидуален и не имеет своего повторения даже в зеркальном отражении.

Асимметрия живого – это та разграничительная линия, которую можно провести между живой и неживой материей, то есть то, что отличает живое вещество от неживого. Утрату симметрии неживой материи, из которой возникло асимметричное живое, Пастер связал с влиянием космических факторов. Эта гипотеза пока не подтверждена, но и не опровергнута.

Белки составляют основу процессов жизнедеятельности всех живых организмов. Они выполняют строительную функцию, участвуя в построении клеток, тканей, костей и т.д., а также ферментативную функцию, гормональную, иммунную, транспортную, энергетическую и т.п.

Белки-гормоны являются регуляторами физиологических процессов, в частности роста, развития, содержания сахара в крови, кальция и т.д. Они представляют собой белки, вырабатываемые внутренними органами. Гормоны выделяются в кровь и участвуют во всех жизненно важных процессах. Химическая природа гормонов различна. Биосинтез того или иного гормона определяется возрастом организма и его физиологическим состоянием. Для компенсации гормональных расстройств в организм вводятся искусственно синтезированные гормоны или гормоны, выделяемые из органов других организмов.

Интересна иммунная функция белков, которые называют антителами. Эти белки распознают чужие микроорганизмы в крови, блокируют их, препятствуя размножению или нейтрализуют выделяемые ими токсичные вещества, способные отравить организм. Антитела синтезируются клетками лимфоидной ткани под воздействием так называемых антигенов – чужеродных для данного организма органических веществ.

Транспортную функцию выполняют белки гемоглобина. Они переносят кислород от органов дыхания к тканям, а углекислый газ – в обратном направлении.

Как источники энергии белки могут использоваться организмом для поддержания жизнедеятельности в случае нехватки жиров и углеводов. Энергия выделяется при расщеплении белковых молекул на фрагменты или аминокислоты.

В каждом живом организме синтезируются свои необходимые ему белки заданного состава и структуры. Катализ белков осуществляется только при совпадении форм взаимодействующих молекул с формами активных центров белка-фермента. Этот процесс происходит по программе, содержащейся в молекулах ДНК и зашифрованной в генах.

Скорость биохимического синтеза белков контролируется ферментами, вырабатываемыми самим живым организмом. Способность организмов к самоуправлению на молекулярном уровне делает их устойчивыми к различным видам внешних и внутренних факторов.

В организме человека содержится около миллиона различных белков. Для их строительства Природа отобрала только 20 аминокислот из 150 известных химии. Среди 20 аминокислот, необходимых для формирования белков в организме человека и животных, 12 могут синтезироваться самим организмом, остальные, называемые незаменимыми, поступают с пищей.