39. Зарождение живой материи. Основополагающие жизненные системы. Хиральность молекул живых организмов.

Переход от неживой материи к живой произошел, по-видимому после того, как на базе предшественников возникли и развились зачатки двух основополагающих жизненных систем: системы обмена веществ и системы воспроизведения материальных основ живой клетки. В современных организмах обе жизненные системы достигли высочайшего уровня совершенства.

Назначение обмена веществ – поддерживать равновесное состояние живого организма. Такая довольно сложная задача решается путем отбора веществ, из которых синтезируются нужные организму соединения. С другой стороны, эта система выводит из организма все то, что не может быть им усвоено или что появляется как шлак от процессов жизнедеятельности. Система обмена обеспечивает взаимосогласованные биохимические реакции синтеза и расщепления белков.

Система воспроизведения содержит в закодированном виде полную информацию для построения из запасенного клеткой органического вещества нужного в данный момент белка. Она же управляет механизмом извлечения и реализации программной информации. Свои функции система воспроизведения осуществляет посредством полимерных соединений – полинуклеотидов. Здесь ключевая роль принадлежит дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК) и рибонуклеиновой кислоте (РНК). ДНК хранит генетическую информацию, а РНК воспроизводит ее и переносит в среду, содержащую необходимые для синтеза белка исходные вещества.

В последнее время в изучении механизмов работы основополагающих жизненных систем достигнуты определенные успехи. Но до сих пор никто не знает как же появились эти две системы.

Существует, кроме того, пока необъяснимое, различие физических свойств живого и неживого вещества, отражающее особенность процесса возникновения жизни на Земле. Отличительной особенностью органических соединений, порожденных жизнью, является их оптическая активность – способность поворачивать плоскость поляризации проходящего через них света в одном направлении – либо влево, либо вправо, в зависимости от конкретного типа соединений. Так, все белковые молекулы земных организмов поворачивают плоскость поляризации проходящего света влево, что указывает на их левую пространственную конфигурацию (L-конфигурацию), а молекулы нуклеиновых кислот ДНК и РНК – только вправо, т. е. обладают правой или D-конфигурацией. В то же время неживое вещество подобного химического состава представляет собой смесь с равновероятным содержанием молекул обеих конфигураций, поэтому поворота плоскости поляризации проходящего через них света не происходит. Предполагается, что оптическая активность органических соединений живых организмов имеет прямое отношение к происхождению жизни.

Сохранение в процессах, связанных с жизнью, органических молекул только одной из двух возможных пространственных структур, называют хиральностью, а соответствующие им молекулы – хиральными. Хаотическая же смесь органических молекул обеих пространственных конфигураций называют рацематом, который возникает при абиогенном синтезе органических молекул. Вне сомнений в преджизненный период образования органических соединений на Земле возникал только рацемат. При переходе к жизни в органических соединения вдруг произошла сортировка молекул и появилась хиральность. Существует мнение по поводу возникновения: переход от рацемата к хиральности произошел не в ходе эволюционного, а в результате скачка со всеми характерными чертами самоорганизации материи. Есть другая точка зрения. Ее выдвинул Л. Пастер (1822-1895). Суть ее в том, что зеркальная ассиметрия живых систем следует некоторой ассиметрии Вселенной. Отдавая должное широте взглядов ученого, еще в прошлом веке связавшего жизнь и космос в единое целое, отметим: ассиметрия Вселенной нарушала бы симмерию любого органического вещества, от его происхождения. Точку зрения Пастера пытались развить, выдвигая предположения о существовании каких-то агентов, оказывающих ассиметричное воздействие на вещество организмов. Однако обнаружить таких агентов пока не удалось.

40. Носитель генетической информации. Нуклеиновые кислоты. Состав и структура молекул ДНК и РНК. Принцип комплиментарности. Геном организма. Свойства генетического кода. Репликация ДНК. Генетические свойства организма.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) – материальный носитель генетической информации. Это высокомолекулярное природное соединение, содержащееся в ядрах клеток живых организмов. Молекулы ДНК вместе с белками-гистонами образуют вещество хромосом. Гистоны входят в состав ядер клеток и участвуют в поддержании и изменении структуры хромосом на разных стадиях клеточного цикла, в регуляции активности генов. Отдельные участки молекул ДНК соответствуют определенным генам. Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в спираль. Цепи построены из большого числа мономеров четырех типов – нуклеотидов, специфичность которых определяется одним из четырех азотистых оснований: аденин (А), тимин (Т), цитозин (С) и гуанин (G). Сочетание трех рядом стоящих нуклеотидов в цепи ДНК образуют генетический код. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводит к наследственным изменениям в организме – мутациям. ДНК точно воспроизводится при делении клеток, что обеспечивает в ряду поколений клеток и организмов передачу наследственных признаков и специфических форм обмена веществ.

Структурная модель ДНК в виде двойной спирали была предложена в 1953 г. американским биохимиком Дж. Уотсоном и английским биофизиком и генетиком Ф. Криком. За расшифровку генетического кода Дж. Уотсон, Ф. Крик и английский биофизик М. Уилкинс, впервые получивший высококачественную рентгенограмму молекулы ДНК, удостоены Нобелевской премии 1962 г.

ДНК – это удивительное природное образование со спиральной симметрией. Длинные переплетенные нити цепочечной структуры ДНК состоят из молекул сахара и фосфатов. К молекулам сахара присоединяются азотистые основания, образуя поперечные связи между двумя спиральными нитями. Вытянутая молекула ДНК напоминает деформированную винтообразную лестницу. Это действительно макромолекула: ее молекулярная масса может достигать 109. В данных нуклеотидных парах таким образом А всегда связывается с Т, а С с G. Такая связь соответствует принципу комплиментарности.

Способность азотистых оснований к распознаванию своего партнера приводит к свертыванию сахарофосфатных цепей в виде двойной спирали, структура которой экспериментально определена в результате рентгеновских наблюдений.

Сахарофосфатную группу вместе с одним из азотистых оснований А, Т, С или G, образующую нуклеотид, можно представить в виде своеобразного строительного блока. Из таких блоков и состоит молекула ДНК. С помощью последовательности нуклеотидов кодируется информация в молекуле ДНК. В ней содержится информация, необходимая, например, для производства белков, нужных живому организму.

Молекула ДНК может копироваться в процессе катализируемой ферментами репликации, заключающейся в ее удвоении. Процесс репликации включает разрыв старых и формирование новых водородных связей. В начале репликации две противоположные цепи начинают раскручиваться и отделяться одна от другой. В точке раскручивания фермент пристраивает новые цепи к двум старым по принципу комплиментарности, в результате образуются две идентичные двойные спирали. Кодирование генетической информации и репликация молекулы ДНК – взаимосвязанные важнейшие процессы, необходимые для развития живого организма.

Генетическая информация кодируется последовательностью нуклеотидов ДНК. Основополагающие работы по расшифровке генетического кода провели американские биохимики М. Ниренберг, X. Корана и Р. Холли; лауреаты Нобелевской премии 1968 г. Три последовательных нуклеотида составляют единицу генетического кода, называемую кодоном. Каждый кодон кодирует ту или иную аминокислоту, общее число которых равно 20. Молекулу ДНК можно представить в виде последовательности букв-нуклеотидов, образующих текст из большого их числа, например, АСАТ-TGGAG... В таком тексте и содержится информация, определяющая специфику каждого организма. Генетический код всего живого, будь то растение, животное или бактерия, одинаков. Такая особенность генетического кода вместе со сходством аминокислотного состава всех белков свидетельствует о биохимическом единстве жизни, которое, по-видимому, отражает происхождение всех живых существ от единого предка.

Нуклеин вые кислоты

-высокомолекулярные органические соединения,  биополимеры (полинуклеотиды), состоящие из остатков фосфорной кислоты, сахаров и азотистых оснований (пуринов и пиримидинов). Имеют фундаментальное биологическое значение, поскольку содержат в закодированном виде всю генетическую информацию любого живого организма, от человека до бактерий и вирусов, передаваемую от одного поколения другому.

Геном организма- совокупность наследственного материала, заключенного в гаплоидном наборе хромосом клеток данного вида организмов. Первоначальный смысл этого термина указывал на то, что понятие генома в отличие от генотипа является генетической характеристикой вида в целом, а не отдельной особи.

РНК- одна из трех основных макромолекул (две другие — ДНК ибелки), которые содержатся в клетках всех живых организмов.

Так же, как ДНК, РНК состоит из длинной цепи, в которой каждое звено называется нуклеотидом. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара рибозы и фосфатной группы. Последовательность нуклеотидов позволяет РНК кодировать генетическую информацию. Все клеточные организмы используют РНК (мРНК) для программирования синтеза белков.

Клеточные РНК образуются в ходе процесса, называемого транскрипцией, то есть синтеза РНК на матрице ДНК, осуществляемого специальными ферментами — РНК-полимеразами. Затем матричные РНК (мРНК) принимают участие в процессе, называемом трансляцией. Трансляция — это синтезбелка на матрице мРНК при участии рибосом. Другие РНК после транскрипции подвергаются химическим модификациям, и после образования вторичной и третичной структур выполняют функции, зависящие от типа РНК.

41. Структура и свойства белков. Биосинтез белков. Строение и разновидности клеток. Прокариоты и эукариоты. Деление клеток. Белки — важнейшая составляющая живых клеток — представляют собой высокомолекулярные органические соединения, построенные из остатков 20 аминокислот. Аминокислоты — органические соединения, в состав которых входят карбоксильные группы, аминогруппа и углеводородный радикал. По своей структуре белки относятся к полимерам. Их молекулы имеют форму длинных цепей, состоящих из повторяющихся молекул — мономеров. Общая формула аминокислот, образующих белок, имеет вид: к центральному атому углерода присоединены четыре разные группы. Три из них — атом водорода Н, щелочная аминогруппа H2N— и карбоксильная группа СООН— для всех аминокислот одинаковы. По составу и структуре четвертой группы, обозначенной R, аминокислоты отличаются друг от друга. Химическая связь —СО—NH—, соединяющая в молекулах белков аминогруппу одной аминокислоты с карбоксильной группой другой, называется пептидной связью. Все активные организмы содержат белки, построенные из одних и тех же аминокислот. Поэтому в любой пище содержатся те же аминокислоты, которые входят в состав белков организмов, потребляющих пищу. Аминокислоты образуют своеобразный алфавит из 20 букв, которые объединяются в группы (слова), определяющие молекулярную структуру белка и его биологическую функцию. При синтезе белка в живой системе используется информация, в соответствии с которой формируется вполне определенная для каждого белка последовательность аминокислот, определяющая пространственную структуру белка.

Образование молекул белков в клетках из аминокислот называется биосинтезом. В процессе биосинтеза белков определяющую роль играет генетическая информация об их структуре. Биосинтез белков состоит из двух этапов: транскрипции и трансляции.Транскрипция — это синтез молекул всех типов РНК на одной из цепей молекулы ДНК при помощи ферментов РНК-полимеразы. Трансляция — перевод информационной РНК в последовательность аминокислот. Сборка одной молекулы белка, состоящей из 200 - 300 аминокислот, происходит за 1 - 2 мин и требует сравнительно больших затрат энергии.

Строение и разновидности клеток. Все живое состоит из клеток. Клетка представляет собой элементарную живую систему – основу строения и жизнедеятельности всех животных и растений. Клетки могут существовать как самостоятельные организмы (например, простейшие, бактерии) и в составе многоклеточных организмов.

Клетка способна питаться, расти и размножаться, вследствие чего ее можно считать живым организмом. Термин «клетка» впервые предложил 1665 г. английский естествоиспытатель Роберт Гук (1635–1703). Утверждение о том, что все ткани животных и растений состоят из клеток, составляет сущность клеточной теории. В экспериментальном обосновании клеточной теории важную роль сыграли труды немецких ученых-ботаников Маттиаса Шлейдена (1804–1881) и Теодора Шванна (1810–1882). Несмотря на большое разнообразие и существенные различия во внешнем виде и функциях, все клетки состоят из трех основных частей – плазматической мембраны, контролирующей переход вещества из окружающей среды в клетку и обратно, цитоплазмы с разнообразной структурой и клеточного ядра, содержащего носитель генетической информации. Все животные и некоторые растительные клетки содержат центриоли – цилиндрические структуры, образующие клеточные центры. Обычно растительные клетки окружены оболочкой – клеточной стенкой. Кроме того, они содержат пластиды – цитоплазматические органоиды (специализированные структуры клеток), нередко содержащие пигменты, обусловливающие их окраску. Окружающая клетку мембрана состоит из двух слоев молекул жироподобных веществ, между которыми находятся молекулы белков. Главная функция клетки – обеспечить передвижение вполне определенных веществ в прямом и обратном направлениях к ней.

Внутри клеточной плазматической мембраны находится цитоплазма, содержащая водный соляной раствор с растворимыми и взвешенными ферментами, (как в мышечных тканях) и другими веществами. В цитоплазме располагаются разнообразные органеллы – маленькие органы, окруженные своими мембранами. К органеллам, в частности, относятся митохондрии – мешковидные образования с дыхательными ферментами. В них превращается сахар и высвобождается энергия. В цитоплазме есть и небольшие тельца – рибосомы, состоящие из белка и нуклеиновой кислоты (РНК), с помощью которых осуществляется синтез белка.

Во всех жизнеспособных клетках, за исключением бактерий, содержится ядро, а в нем –хромосомы – длинные нитевидные тельца, состоящие из дезоксирибонуклеиновой кислоты и присоединенного к ней белка. Клетки растут и размножаются путем деления на две дочерние. При делении дочерней клетки передается полный набор хромосом, несущих генетическую информацию. Поэтому перед делением число хромосом в клетке удваивается и при делении каждая дочерняя клетка получает по одному их набору. Такой процесс деления клеток, обеспечивающий тождественное распределение генетического материала между дочерними клетками, называется митозом.Различия клеток определяются прежде всего набором белков, синтезируемых данной клеткой.

В зависимости от типа клеток все организмы делятся на две группы – прокариот и эукариот. К прокариотам относятся бактерии, а к эукариотам – все остальные организмы: простейшие, грибы, растения и животные. Эукариоты могут быть одноклеточными и многоклеточными. Прокариоты все одноклеточные. В них нет четко очерченного ядра: молекулы ДНК не окружены ядерной мембраной и не организованы в хромосомы. Их деление происходит без митоза. Клетки эукариот, в отличие от клеток прокариот, содержат митохондрии – специализированные органеллы, в которых идут процессы окисления. В клетках растений, помимо митохондрий, содержатся хлоропласты, способные производить фотосинтез.

Деление клетки — характерный именно для живых организмов процесс появления из родительской клетки двух и более новых клеток, фаза М клеточного цикла.

Прокариотические клетки делятся надвое. Сначала клетка удлиняется. В ней образуется попе­речная перегородка. Затем дочерние клетки расходятся. Существует два способа деления ядра эукариотических клеток: митоз и мейоз

Амитоз - прямое деление клетки, без подготовительной стадии. Митоз —деление ядра эукариотической клетки с сохранением числа хромосом. В отличие от мейоза, митотическое деление протекает без осложнений в клетках любой плоидности, поскольку не включает как необходимый этап, конъюгацию, гомологичных хромосом в профазе.Мейоз — деление ядра эукариотической клетки с уменьшением числа хромосом в два раза. Происходит в два этапа (редукционный и эквационный этапы мейоза). Мейоз не следует смешивать с гаметогенезом — образованием специализированных половых клеток, илигамет, из недифференцированных стволовых, так как мейоз может приводить как к образованию гамет (презиготический мейоз), так и быть первым делением после образования зиготы (постзиготический мейоз).