39Молекулярные механизмы самосохранения биосистем. Генный код. Биосинтез белков.

 На любом из уровней организации анализ биосистем в той или иной мере подразумевает учет следующих аспектов проблемы.

Структура системы. Структура характеризуется набором элементов, составляющих систему, и совокупностью их связей. Па разных уровнях для описания структуры используются свои специфические понятия, которые часто неясны для специалистов «других уровней» и поэтому требуют специального пояснения.

Функция системы — функционирование, активность системы, жизнедеятельность — выполнение специфических для этой системы процессов. Для биосистем функция - те процессы, которые необходимы для поддержания «собственной жизни» и для функционирования систем более высокого уровня, в которые система входит в качестве элемента. Так, говорят о функции клеток, органов, систем и их необходимости для поддержания жизнедеятельности целостного организма.

Выполнение функции связано с расходом энергии, преобразованием и использованием сложных химических веществ — биополимеров (метаболизм) и с организацией потоков энергии и вещества в процессе обмена веществ. Управление процессами метаболизма и потоками энергии осуществляются специфическими для этого уровня механизмами управления (регуляции, ауторегуляции). Управление осуществляется за счет потоков информации, которую система получает, перерабатывает и использует с помощью специальных (и особенных на каждом уровне) структурных и функциональных элементов.

Выявление специфики и общих для всех уровней организации систем свойств процессов управления представляет особенный интерес.

Цель системы. Механизмы управления на каждом уровне функционируют так, что обеспечивается сохранение структуры системы и протекающих в пой процессов (функции). Поэтому можно сказать, что иерархически высшей целью биосистемы является самосохранение, т. е. сохранение жизни. Это положение, однако) абсолютом не является и может быть уточнено для каждого из уровней организации. Жизненные процессы «внутри» систем протекают в их внутренней среде. Клетки живого организма живут в межклеточной жидкости, физические условия и химический состав которой весьма стабильны.

Жизненные процессы на более низких уровнях протекают в клеточной жидкости. Внутренняя среда в надорганизменных системах включает и техногенные условия «среды обитания».Гомеостаз. Тот факт, что при выполнении всего спектра жизненных функций системы в широком диапазоне внешних условий внутренняя среда во многих случаях остается практически неизменной, стал основой концепции гомеостаза.

В организации живой природы мы имеем дело с пирамидой гомеостатических биосистем, сложным образом взаимодействующих между собой. Гомеостаз каждого уровня дает свой вклад в поддержание жизни на этом уровне и тем самым формирует следующий уровень организации жизни со своими собственными, уже более мощными гомеостатическими механизмами. В ответ он получает целесообразное изменение условий жизни — стабильность окружающих условий, улучшающую его собственный гомеостатический ресурс.

В основании этой пирамиды находится живая клетка. Жизненные процессы в клетке — это совокупность биофизических и биохимических процессов перемещения веществ и их химического преобразования — синтеза и сборки биополимерных молекул.

Идеи гомеостатического регулирования на этом уровне организации жизни имеют довольно узкую сферу применений. Свободноживущие клетки и одноклеточные организмы имеют достаточно мощные регуляторные механизмы для управления протеканием жизненных процессов и для сохранения структур, осуществляющих эти процессы. Изучение этих проблем и составляет ядро регуляционных концепций биохимии и цитологии.

Что касается постоянства внутриклеточной среды, то оно изучено довольно слабо. Можно говорить о постоянстве набора химических веществ, составляющих внутреннюю среду клетки и ее структур, но трудно говорить о постоянстве концентраций каких-либо молекул в ней. Эти концентрации, как и внутриклеточные физические параметры (температура, давление), как правило, в клетке не регулируются.

Поэтому термин «гомеостаз» применительно к нижним этажам жизненных явлений применяется прежде всего специалистами по другим уровням биосистем. И применяется, как правило, в расширительном его толковании — для описания факта постоянства структурных свойств биосистем.

Постоянства внутренней среды в клетке трудно ожидать хотя бы потому, что все транспортные процессы в ней, и многие — на ее границах, осуществляются пассивно. А при пассивном управлении (например, при переносе веществ путем диффузии) сами внутриклеточные концентрации оказываются в роли регуляторов жизненных процессов (точнее — регуляторами скоростей их протекания). Тем самым изменение внутренней среды оказывается необходимым для поддержания жизненных процессов в условиях меняющейся внешней среды. Именно нехватка каких-либо веществ в клетке ускоряет соответствующие «транспортные и производственные конвейеры».

В итоге жизнь клетки может быть обеспечена внутриклеточными механизмами только в очень узком (по сравнению с более высокими уровнями организации) диапазоне — в жидкостной среде, содержащей в достатке питательные вещества и кислород при нужных температурах и рН.

Генетический код и механизм синтеза белка Генетический код — это определенные сочетания нуклеотидов и последовательность их расположения в молекуле ДНК. Это свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов. В ДНК используется четыре нуклеотида — аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T), которые в русскоязычной литературе обозначаются буквами А, Г, Ц и Т. Эти буквы составляют алфавит генетического кода. В РНК используются те же нуклеотиды, за исключением тимина, который заменён похожим нуклеотидом — урацилом, который обозначается буквой U (У в русскоязычной литературе). В молекулах ДНК и РНК нуклеотиды выстраиваются в цепочки и, таким образом, получаются последовательности генетических букв.

Для построения белков в природе используется 20 различных аминокислот. Каждый белок представляет собой цепочку или несколько цепочек аминокислот в строго определённой последовательности. Эта последовательность определяет строение белка, а следовательно все его биологические свойства. Набор аминокиcлот также универсален для почти всех живых организмов.

Реализация генетической информации в живых клетках (то есть синтез белка, кодируемого геном) осуществляется при помощи двух матричных процессов: транскрипции (то есть синтеза иРНК на матрице ДНК) и трансляции генетического кода в аминокислотную последовательность (синтез полипептидной цепи на матрице иРНК). Для кодирования 20 аминокислот, а также сигнала «стоп», означающего конец белковой последовательности, достаточно трёх последовательных нуклеотидов. Набор из трёх нуклеотидов называется триплетом. Принятые сокращения, соответствующие аминокислотам и кодонам.