Принципы реализации свойств живых организмов

Принципы питания

Задачи организма:

• Найти пищу

• Удержать

• Предварительно обработать

• Поглотить

• Ассимилировать поглощенные вещества

1. Пластический обмен = обмен веществ (и в сторону усложнения – синтез, и в сторону упрощения – деградация)

2. Энергетический обмен = запасание и извлечение энергии

3. Ассимиляция = сделать своим, специализированные процессы, которые позволяют привести поглощенные вещества к тому состоянию, когда организм может ими пользоваться. Дисимиляция = убрать из своего

Классификация типов питания

1. Первый подход к классификации типов питания – по источнику углерода:

Автотрофное	Гетеротрофное
Cиз неорганических веществ, в окисленном состоянии	Cиз органических веществ, в частично восстановленном состоянии. Организм использует для питания чужие органические вещества.
Организмы умеют восстанавливать окисленный углерод и строить углеродные цепочки из моноуглеродных соединений.	Системы питания, которые поглощают CH4иCH3OHочень похожи на системы автотрофов

Авто- и гетеротрофы бывают и по отношению к азоту. Он встречается в виде N₂, а в организмах –N-H₂

NO₃^-

NO₂^-

Растения могут потреблять окисленный азот, животные, грибы – только восстановленный, азотфиксирующие бактерии – нейтральный, так как имеют фермент нитрогеназу, который разрывает связи N≡N. Это требует большого количества энергии и полного отсутствия кислорода. У растений – симбионтов азотфиксирующих бактерий вырабатывается пигмент леггемоглобин, который связывает кислород, не допуская его к бактериям. Биологийческий голод – это голод по азоту, тк его труднее достать, чем углерод.

2. Второй подход – по источнику энергии:

   Фототрофное	Хемотрофное
   Энергия солнечного света	Энергия любых химических соединений, как неорганических, так и органических.

3. Третий подход – по источнику электронов, используемых для восстановления углерода:

Литотрофное

Органотрофное

Наиболее частые типы:

Фотолитоавтотрофное (фотосинтез)	Хемоорганогетеротрофное
Источник энергии – свет Источник электронов – вода Источник углерода – углекислый газ

Прокариоты – самая разнообразная по типам питания группа

Молекулярные процессы «дыхания» (энергообеспечения)

При любом варианте питания организм не способен напрямую использовать энергию, поглощенную извне. Энергия является для организма своей, если:

• Это энергия химических связей в составе макроэргических соединений – АТФ и ГТФ (гуанозинтрифосфат)

• Это энергия мембранного потенциала

1. Гликолиз (брожение). Происходит в цитоплазме

Глюкоза Пировиноградная кислота С₃

CO₂

36 АТФ

C₂H₅OHМолочная кислота Уксусная кислота

2. Дыхание. Происходит на мембранах

SH₂S

O₂ CO₂

Процесс клеточного дыхания предполагает каскадный транспорт e^- через мембрану, в результате чего формируется мембранный потенциал. Акцепторe^--O₂либоSу бактерий.

Выделение

	CO2	Мочевина
Растения	Нужное	Удобрение
Животные	Ненужное	Вредное

Рыбы и земноводные	Пресмыкающиеся и птицы	Остальные млекопитающие
Аммиак Выделяется через жабры, кожу	Мочевая кислота Плохо растворима; в яйце зародыш вынужден складировать продукты обмена в оболочке.	Мочевина

Рост и развитие

1. Апикальные меристемы (apex– вершина). Корневая система органов.

---------------------------

2. Развитие ≈ самоупорядочивание

Развитие – 1. Изменение строения, структуры для приобретения новых функций или утраты старых

2. Приобретение новых функциональных способностей

Слово «развитие» используется по отношению к любым живым существам

Клеточная дифференцировка. Дифференциальная экспрессия генов

Само существование дифференциальной экспрессии генов говорит о том, что процесс реализации генетической информации можно регулировать. Экспрессия гена может регулироваться на разных этапах (смотри схему выше). Однако в большинстве случаев ключевым этапом регуляции экспрессии генов является транскрипция, поэтому в основе дифференциальной экспрессии генов очень часто лежит дифференциальная транскрипция генов. Транскрипция – это очень сложный процесс, поэтому она не может идти самопроизвольно. Её обеспечивают особые ферменты – РНК-полимеразы.

РНК-полимераза

5’ 3’

ТФ

Промотор Терминатор

• В промоторе специфическая последовательность нуклеотидов (АG), которые узнаются РНК-полимеразой.

• РНК-полимераза садится на один край – начало (промотор), чтобы дойти до другого края. Двигается только в одном направлении.

• Начало вычленяется на основе определенной последовательности нуклеотидов, а они имеют определенные заряды.

• Белки РНК-полимеразы способны двигаться в одном направлении.

• Начиная с конца промотора РНК-полимераза начинает синтезировать РНК.

• По окончании кодирующей области гена РНК прекращает синтезироваться. Об этом сигнализирует терминатор.

Если не будет промотора, то РНК-полимераза не будет считывать ген, т. е. ген будет «молчащим». Сама по себе РНК-полимераза не способна распознавать, какие именно гены нужно транскрибировать в данный момент, есть что-то другое, что помогает ей делать это – белки. Эти белки называются транскрипционными факторами. Регуляторные белки способны связывать разные участки гена, закрывать путь РНК-полимеразе (репрессор – подавитель), белки – усилители.

Дифференциальное распределение ТФ₁по зиготе

…

Дифференциальная транскрипция гена, кодирующего ТФ_n-1

Дифференциальное распределение по организму ТФ_n-1

Дифференциальная транскрипция гена, кодирующего ТФ_n

Дифференциальное распределение по организму ТФ_n

Дифференциальная транскрипция гена Х

Довольно часто клетки окружающие яйцеклетку – это питающие клетки. Разные питающие клетки поставляют в яйцеклетку разные вещества. Бластомеры отличаются друг от друга. Уже на стадии четырех бластомеров клетки могут отличаться друг от друга. Клетки отличаются по набору транскрипционных генов. Можно просчитать судьбу отдельных бластомеров (у насекомых). Градиенты транскрипционных факторов – система молекулярных координат внутри организма.

Яйцеклетка.		1	2
	I	+	-
	II	-	-
	III	+	+
	IV	-	+

Такое наблюдалось у аскрид. При смерти I,IIIилиIVбластомеров – летальный исход. При смертиII –полное отсутствие половой системы.

В любой науке прорыв становится возможным только после нахождения удобной модели для решения определенной задачи. Модель должна обладать простотой, адекватностью, удобством работы. В области дифференцированной экспрессии генов модель – муха дрозофила: маленькая – занимает мало места, плодовита (100 потомков от одной пары), короткий жизненный цикл (следующее поколение через 20 дней), дешевое разведение мухи и простой уход.

Конечности дрозофилы:

Голова – пять сросшихся сегментов.

1 – антенны – обонятельно-осязательные ноги.

2 – (глаза).

3 – мандибулы – верхние челюсти.

4 – максиллы – нижние челюсти.

5 – нижняя губа (верхняя губа – складка кожи).

Грудь – три сегмента.

1 – ходильные ноги (гексаподы).

2 – ходильные ноги + крылья.

3 – ходильные ноги + жужелица.

Брюшко – восемь сегментов. Производных конечностей нет. Кроме: створок яйцеклада у прямокрылых; клешнеобразных выростов на конце тела у уховерток.

Ходильные ноги разных видов: у дрозофилы – бегательные

Задние конечности кузнечиков – прыгательные

У плавунцов – плавательные

У медведки – копательные

У богомолов – хватательные

Крылья располагаются на 2ом и 3ем сегменте груди. Жужжальца – стабилизаторы, чтобы насекомое не вертелось в полете. Конечность – подвижный вырост тела, состоящий из сегментных структур, т.е. щупальце осьминога – не конечность. Внутри конечности есть собственная мускулатура.

Развитие начинается с личинки. Яйцо имеет вытянутую форму. Ключевыми ТФ являются два, определяющие развитие передних и задних конечностей (т.е. там где I– зад, гдеII- перед). После их дифференцировки организм разделяется на несколько областей: первая – образование зачатков сегментов, вторая – параллельно идет закладка транскрипционных факторов, которые определяют судьбу этих сегментов.

3)

1 2

4)

1 3

5)

2 3

Пусть будет 3 – ТФ, у него есть ген, IиII– активаторы транскрипции. Транскрипция пойдет там, где концентрация факторов больше. Пусть есть 4, для которого транскрипция идет там, где есть иIи 3. Его транскрипция будет позже, чем транскрипция 3. Благодаря этому создается весьма тонкие градиенты в зародыше. Это обеспечивает каскадная транскрипция.

Факторы, определяющие нормальное развитие дрозофилы. Если убрать воздействие на третий грудной сегмент первого брюшного, то он будет развиваться так же как второй грудной, т. е. будет иметь две пары крыльев. Но такая муха летает плохо.

Такие вещи в определители не входят. Возникает мысль, что прототипный вариант насекомого без дифференциации грудных сегментов – это шестикрылые насекомые. Эволюция – последовательность из накладывающихся друг на друга программ дифференцировки. Бывает, что конечности на голове – ходильные ноги; также бывает ротовой аппарат расчленяется на структуры, где угадываются конечности – все эти насекомые были получены «отключением» действия одного сегмента на другой.

Сегментарные структуры человека: позвоночник, спинномозговые нервы, фаланги пальцев, пары конечностей, доли легкого, мускулатура брюшного пресса. Бывают мутации: «чертово» ребро – тринадцатое, шейные ребра, короткопалость – пальцы из двух фаланг, но мускулатура в пальца такая же, как и в нормальных – короткие толстые пальцы.

Для круглых червей характерно строго детерминированное дробление, настолько, что известно количество клеток в каждом органе и в организме в целом. Некоторые клетки в процессе развития умирают (апоптоз – виден на примере головастика).

Evoderotics

Второй грудной сегмент насекомых ближе всего к прототипу. Следовательно первые крылатые насекомые должны были быть шестикрылыми, но их нет. Есть 4хкрылые насекомые с крыльями на 2м и 3ем сегментах груди, на первом – маленькие неподвижные выросты.

Пра-вариант цветков:

1. Как у магнолиевых – много элементов, лепестков, тычинок, пестиков, между которым нет резких границ.

2. Как у перечного дерева – очень примитивный цветок, с очень малым количеством структур – только половые органы и придаток.

Какой же из них проще?

Концепция Evo-Dero: изучать эволюцию на генетическом уровне.