21. Молекулярная биология
Химические элементы-органогены.
Основу жизни составляют 6 химических элементов (органогены).
-
углерод C;
- водород H; >90% живого
- кислород O; вещества ≈97-98% массы
- азот N; живых организмов
- сера S;
- фосфор P.
Биополимеры и их свойства.
Биополимеры – это высокомолекулярные природные соединения, являющиеся структурной основой всех живых организмов и играющие определяющую роль в процессах жизнедеятельности.
К биополимерам относятся:
1) нуклеиновые кислоты - важнейшие биологически активные биополимеры (мономером является нуклеотид), осуществляющие хранение и передачу генетической информации в живых организмах, а также участвующие в биосинтезе белков.
• дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), функции: хранение наследственной информации и ее передача следующему поколению, передача генетической информации из ядра в цитоплазму;
• рибонуклеиновая кислота (РНК): транспортная (т-РНК: перенос аминокислот к месту синтеза белка), рибосомальная (р-РНК: связываясь с определенными белками, образует рибосомы) и информационная (и-РНК: переносит информацию о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка).
2) белки - высокомолекулярные природные органические вещества, построенные из аминокислот и играющие фундаментальную роль в структуре и жизнедеятельности организмов; функции: структурная (участвуют в образовании всех мембран и органоидов клетки), двигательная (обеспечивают сокращение мышц), каталитическая (белки-ферменты ускоряют химические реакции), транспортная (переносят вещества), регуляторная (белки-гормоны), защитная (защитные белки – иммуноглобулины), энергетическая (образование энергии при расщеплении).
3) полисахариды - органические соединения, в состав которых входят C, O и H; состоят из простых сахаров; крахмал для растений и гликоген для животных – резерв питательных веществ и энергии, целлюлоза (клетчатка) и хитин – структурная и защитная функция.
Функции липидов и углеводов
Липиды - жироподобные органические соединения, нерастворимые в воде.
Функции липидов:
- структурная (одни из составляющих мембран);
- энергетическая (при окислении высвобождается энергия);
- защитная и теплоизоляционная;
- водоотталкивающая;
- регуляторная (многие гормоны – производные холестерола);
- метаболическая (участвуют в обмене веществ).
Углеводы - обширная группа органических соединений, входящих в состав всех живых организмов.
Функции углеводов:
- структурная (участвуют в построении клеточных структур);
- защитная - у растений (клеточные стенки и др.);
- пластическая (хранятся в виде запаса питательных веществ);
- энергетическая (при окислении выделяется энергия);
- участвуют в обеспечении осмотического давления крови;
- рецепторная (входят в состав клеточных рецепторов).
Структура нуклеиновых кислот – ДНК и РНК (Крик, Уотсон).
1953 г. – определено строение нуклеиновых кислот.
ДНК образует двойную спираль, РНК – одну.
ДНК. РНК.
азотистое дезокси- остаток фосфорной азотистое рибоза остаток фосфорной
основание рибоза кислоты основание кислоты
Азотистое основание меняется.
Участок ДНК
А Т А – аденин, Т – тимин, Г – гуанин, Ц - цитозин
Г Ц
у РНК вместо тимина – урацил (У)
Т А
водородные связи
Комплементарный принцип: напротив основания А одной цепи в другой цепи всегда стоит Т, напротив Т – А, напротив Г – Ц, а напротив Ц – Г.
Репликация – особый механизм самоудвоения ДНК (при делении клетки двойная спираль расплетается и достаривает вторую спираль по комплементарному принципу).
Структура:
1) азотистые основания объединяются в триплет, или кодон (по трое); возможно 64 комбинации кодонов;
2) кодоны объединяются в гены (ген – это группа, состоящая из нескольких десятков кодонов); существуют тысячи видов генов;
3) из генов строится ДНК (- это гигантская биополимерная молекула):
- ДНК бактерии может включать 20 млн. пар нуклеотидов, длина 907 мм;
- ДНК половой клетки мухи-дрозофилы – 200 млн. пар нуклеотидов;
- у человека 3 млрд. пар, длина 102 см.
ДНК свернута в очень плотный клубок.
РНК.
- меньше по размерам, чем ДНК;
- и-РНК (информационная) в сотни раз короче ДНК, поэтому легко выходит из клеточного ядра, она считывает информацию с ДНК (с отдельного гена по комплементарному принципу), размер 70-90 нуклеотидных пар;
- т-РНК (транспортная) транспортирует аминокислоты к рибосомам, где идет синтез белка; каждой аминокислоте соответствует своя т-РНК, всего задействовано 20 аминокислот (а известно 100) в клетке 20 т-РНК; в клетке может быть до 10 тыс. рибосом.
Свойства генетического кода и его механизм (репликация, транскрипция, трансляция):
1) триплетность (3 нуклеотида образуют ген);
2) однонаправленность:
Порядок (механизм генетического кода):
- информация удваивается (репликация) ДНК ДНК;
- перенос информации с ДНК на и-РНК (транскрипция);
- перенос информации с и-РНК на белок (трансляция).
3) однозначность (каждый кодон кодирует только одну аминокислоту)
н-р,
А А А кодирует лизин (Lys)
Г Ц Г кодирует аланин (Ala)
4) вырожденность (одной аминокислоте может соответствовать несколько кодонов –от 1 до 6)
н-р,
лизин А А Г и А А А
5) неперекрываемость (любой нуклеотид может входить в состав только одного триплета);
6) непрерывность (информация считывается непрерывно);
7) универсальность (все живые организмы используют один и тот же генетический код: один и тот же триплет кодирует один и тот же тип аминокислоты) – подтверждает идею единства происхождения жинзи;
8) есть кодоны, которые не соответствуют ни одной из 20 аминокислот (стоп-кодоны), назначение которых остановка синтеза.
Механизмы синтеза белков и их структура.
Белок – сложная структура, которая задается последовательностью аминокислот (могут располагаться в различном порядке). Может синтезироваться свыше 1 млн. видов белка. Каждый организм имеет свой индивидуальный белковый набор.
Структура:
1
)
первичная (полипептидная цепь);
- C – N - пептидная связь между двумя аминокислотами
׀׀ ׀ (прочная)
O H
2) вторичная (спираль) – открыта в 1961 г.;
3) третичная (глобулы, клубки);
4) четвертичная (у некоторых белков, например, гемоглобин) – объединение нескольких глобул.
Денатурация белка – разрушение (утрата четвертичной, третично, вторичной структуры)) – при высокой температуре.
В клетке синтез белковой молекулы происходит за считанные секунды.
Биосинтез белка можно разделить на следующие стадии:
1) транскрипция: считывание генетической информации с молекул ДНК и ее запись в молекулы и-РНК;
2) процессинг: из и-РНК удаляются некоторые фрагменты, ненужные в последующих стадиях, и происходит редактирование нуклеотидных последовательностей;
3) трансляция: синтез полипептидной цепи в соответствии с информацией, закодированной в и-РНК.
Функции ферментов:
- ускоряют синтез белков;
- участвуют в синтезе ДНК;
- участвуют в синтезе и-РНК;
- участвуют в энергообеспечении клеток (АТФ – аденозинтрифосфат).
Генная инженерия и её перспективы.
Генная инженерия - направление исследований молекулярной биологии, целью которых является получение организмов с новыми комбинациями наследственных свойств. В ее основе лежит возможность целенаправленного манипулирования с фрагментами нуклеиновых кислот.
♦ методом генной инженерии получен ряд препаратов (инсулин человека и противовирусный препарат интерферон);
♦ эта технология сулит достижение огромных успехов и в медицине (перспективный путь создания и производства вакцин), и в сельском хозяйстве (могут быть получены сорта культурных растений, устойчивые к засухе, холоду, болезням, насекомым-вредителям и др.);
♦ проект «Геном человека»: цель - выяснение последовательности оснований во всех молекулах ДНК в клетках человека и установление локализация всех генов, что помогло бы выяснить причину многих наследственных заболеваний и открыть пути к их лечению.
Перспективы генной инженерии:
1) способность к саморепликации: сможет поднять производительность труда, но, в то же время, и создать новые разрушительные средства;
2) продление жизни человека (замедление старения, бессмертие): ученые Техасского университета смогли продлить жизнь нескольких типов человеческих клеток;
3) создание ряда вакцин, способных излечить СПИД, ВИЧ, рак и другие болезни;
4) генная терапия: в организм вводится сконструированная копия гена, кодирующего мощный противоопухолевый фермент (для борьбы с наследственными нарушениями в иммунной системе).