Лекция 22. Молекулярные основы жизни. Днк и информация.

1. Молекулярные механизмы жизни.

Все живые организмы состоят из молекул и атомов и связанных с ними полей ядерных, слабых и электромагнитных взаимодействий. Жизненный процесс функционирует благодаря огромному количеству обыкновенных химических реакций. Никаких особых биологических полей и сил наукой не обнаружено.

Среди огромного разнообразия химических веществ, входящих в состав живой материи, особое место занимают два типа биологических полимеров – белки и нуклеиновые кислоты.

Структура белков очень сложна. Основу ее составляет углерод. Главные составляющие белков – это более простые молекулы, называемые аминокислотами. Известно более 100 видов аминокислот, но в живой материи встречается лишь 20 из них. Однако и из этого количества можно скомбинировать порядка 10⁸⁰ различных белков, что превышает число атомов во Вселенной. В организме взрослого человека около 10⁶ белков.

Белки являются теми рабочими телами, которые обеспечивают структуру и функционирование организма. Однако для обеспечения роста организма. Поддержания гомеостаза и, главное, для реализации самовоспроизводимости организма требуется непрерывное воспроизводство, синтез белков на основе некоторых строгих и упорядоченных правил. Синтез белков является центральным событием в жизни клетки любого организма.

Правила синтеза белков записаны в химической структуре одного из типов нуклеиновых кислот – ДНК. Генетическая (наследственная) информация записана в цепи молекулы ДНК в виде последовательности более простых молекул – нуклеотидных остатков, содержащих одно из 4 оснований: аденин (А), гуанин (Г) – пуриновые основания, цитозин (Ц) и тимин (Т) – пиримидиновые основания.

Другой тип нуклеиновых кислот – РНК – служит для переноса информации и синтеза белка.

Все реакции обмена веществ в клетках организма осуществляются под контролем особых белков – биокатализаторов (ферментов), структура которых записана в ДНК в виде генов. Ген – это единица наследственной информации, определяющая данный признак живого организма. Иными словами, ген – это участок цепи ДНК, используемый для кодирования белков определенного типа. Запись ведется по схеме: ДНК  РНК  белок.

Сначала информация, записанная в виде чередования нуклеотидов на одной из двух спиральных цепей ДНК, переписывается на молекулу информационной РНК (иРНК) – транскрипция. На следующем этапе в специальной органелле клетки – рибосоме – иРНК взаимодействует с РНК другого типа – транспортной РНК (тРНК), и происходит трансляция – синтезируется белок.

РНК, будучи более простой структурой, чем ДНК, возможно, и послужила прообразом носителя наследственной информации на начальных этапах зарождения жизни на Земле.

2. Элементарные представления о строении клетки и ее жизнедеятельности.

Жизнедеятельность любого живого организма осуществляется на уровне клетки, которая является мельчайшей частью организованной живой материи. Клетка способна к самостоятельному существованию, в ней происходят процессы питания, дыхания, выделения, она способна к росту и размножению. Раздел биологии, изучающий клетку, называется цитология.

Размеры клеток имеют порядок 10 – 50 мкм, что позволяет наблюдать их с помощью оптического микроскопа. Структуры внутри клеток (органеллы) зачастую можно изучать только с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Клетки окружены тонкими слоистыми оболочками – мембранами, состоящими из жироподобных веществ – липидов – и белков. Благодаря мембране поддерживается стабильный химический состав клетки, поскольку она способна реагировать на изменение внешних условий, изменяя свою проницаемость (свойство возбудимости). Помимо барьерной функции, мембраны участвуют в обменных процессах клетки – питании и выделении, осуществляя транспортные функции как на основе явления диффузии, так и с помощью специальных белков-переносчиков. Так, мембрана работает как натрий-калиевый насос, выводя из клетки ионы натрия и вводя ионы калия.

Внутреннее содержимое клетки заполнено цитоплазмой, имеющей нитчатую структуру (матрикс), которая не только является средой для размещения органелл клетки, но и сама участвует в процессах ее жизнедеятельности.

Хранилищем наследственной информации является ядро клетки, содержащее ДНК в виде сложных структур – хромосом. Внутри ядра имеется одно или несколько ядрышек, в которых содержится только РНК. При делении клетки РНК транспортирует информацию, переписанную с ДНК, к специальным органеллам – рибосомам. В рибосомах по заданной ДНК программе осуществляется синтез белка.

«Энергетическими станциями» клетки являются митохондрии, в которых с помощью специальных ферментов происходит синтез богатых энергией молекул аденозинтрифосфорной кислоты, или АТФ Ткани, потребляющие больше энергии, например мышечная, содержат большее количество митохондрий.

Важными органеллами растительных клеток являются пластиды, самый известный из них – хлоропласт, пластид, содержащий зеленый пигмент хлорофилл. Именно в хлоропластах осуществляется фотосинтез, преобразующий энергию Солнца в энергию химических связей.

Жизнедеятельность клетки представляет собой сложнейшие процессы обмена веществом и энергией в присутствии биокатализаторов – ферментов.