4. Молекулярно-генетический уровень организации жизни. Нуклеиновые кислоты и белки, их строение и значение. Генетический код и его свойства.

Молекулярно-генетический уровень организации жизни.

Молекулярный уровень является глубинным в организации живого и представлен молекулами нуклеиновых кислот, белков, жиров, липидов, углеводов и стероидов, находящихся в клетках и получивших название биологических молекул. На этом уровне начинаются все важнейшие процессы в организме. Основная масса всех химических элементов составлена углеродом, кислородом, водородом и азотом. Большинство соединений в клетке – белки и нуклеиновые кислоты. Их макромолекулы – полимеры.

У всех живых организмов (кроме РНК-содержащих вирусов) наследственная информация заключена в ДНК. В качестве поставщика энергии используют химические соединения (например, АТФ). АТФ у всех организмов образуется в схожих путях. Гены соединяются в группы сцепления на хромосомах.

В перечне всеобщих, обусловленных структурой эволюционного процесса, уровней организации земной жизни молекулярно-генетический уровень занимает первую строку. Элементарной структурой на этом уровне является ген, определяемый как фрагмент молекулы ДНК, несущий определенный объем биологически целесообразной (полезной для жизнедеятельности, репродукции и индивидуального развития) генетической информации. Элементарное явление на этом уровне состоит в ковариантной редупликации ДНК, т. е. в самоудвоении молекул нуклеиновой кислоты путем самокопирования с некоторым количеством ошибок. Такого рода ошибки (генные, истинные мутации) сохраняются в ряду поколений клеток и особей. Кроме генных мутаций, имеются также хромосомные и геномные мутации, к которым, однако, неприложимо определение «истинные». Различия состоят в том, что генные мутации способны производить принципиально новую биологическую информацию, тогда как хромосомные и геномные мутации заключаются либо в изменении количества (дозы) уже имеющейся информации, либо в появлении ее новых комбинаций. Вне явлений наследственности и изменчивости, обусловливающих в своем взаимодействии консерватизм и динамичность структур и функций в мире жизни, реальность появления и сохранения во времени новых адаптаций (приспособлений) и, следовательно, процесс биологической эволюции, невозможны.

Нуклеиновые кислоты

Являются макромолекулами, молекулярная масса которых варьируется от 20 тысяч до десятка миллиардов (РНК от десятков тысяч до нескольких миллионов, а ДНК от миллионов до миллиардов). Эти полимеры состоят из мономеров – нуклеотидов. Нуклеотид состоит из 3х компонентов – остатка фосфорной кислоты, пентозы и азотистого основания, при этом пентоза и азотистое основание составляют нуклеозид. Нуклеозид соединен с фосфатной группой сложноэфирной связью (через O). Затем образуется вторичная структура – спираль (в случае ДНК двойная). Комплементарные связи между пуриновыми (аденин, гуанин) и пиримидиновыми (цитозин, урацил, тимин) азотистыми основаниями представлены водородными связями. Третичная связь нуклеиновых кислот представлена в виде линейной, кольцевой, суперкольцевой и компактной клубковой форм. Между этими формами переход осуществляется особыми ферментами – топоизомеразами.

Белки

Макромолекулы, состоящие из 20 α-аминокислот (канонических аминокислот) в результате поликонденсации в присутствии ферментов. Молекулярная масса варьируется от 10.000 до 1 000 000 и выше.

Первичная структура

Пептидная связь -NH-COO-

Вторичная структура

Альфа-структура, бета-структура и неупорядоченная структура. В основном водородные связи.

Третичная структура

Пространственное расположение белка

Четвертичная структура (необязательная)

Возникает в случае взаимодействия нескольких полипептидов (субъединиц).

В растворах при пропускании света образуется эффект Тиндаля.

Генети́ческий код — свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов.

В ДНК используется четыре азотистых основания — 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 нуклеотида, содержащего тимин, который заменён похожим нуклеотидом, содержащим урацил, который обозначается буквой U (У в русскоязычной литературе). В молекулах ДНК и РНК нуклеотиды выстраиваются в цепочки и, таким образом, получаются последовательности генетических букв.

Генетический код

Белки практически всех живых организмов построены из аминокислот всего 20 видов. Эти аминокислоты называют каноническими. Каждый белок представляет собой цепочку или несколько цепочек аминокислот, соединённых в строго определённой последовательности. Эта последовательность определяет строение белка, а следовательно все его биологические свойства.

Реализация генетической информации в живых клетках (то есть синтез белка, кодируемого геном) осуществляется при помощи двух матричных процессов: транскрипции (то есть синтеза мРНК на матрице ДНК) и трансляции генетического кода в аминокислотную последовательность (синтез полипептидной цепи на мРНК). 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, изображены на рисунке.

Свойства

1. Триплетность — значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон).

2. Непрерывность — между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно.

3. Неперекрываемость — один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов (не соблюдается для некоторых перекрывающихся генов вирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки).

4. Однозначность (специфичность) — определённый кодон соответствует только одной аминокислоте (однако, кодон UGA у Euplotes crassus кодирует две аминокислоты — цистеин и селеноцистеин)

5. Вырожденность (избыточность) — одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов.

6. Универсальность — генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности — от вирусов до человека (на этом основаны методы генной инженерии.

7. Помехоустойчивость — мутации замен нуклеотидов, не приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют консервативными; мутации замен нуклеотидов, приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют радикальными.

8. Знаки препинания — триплеты выполняют функцию знаков препинания.