Молекулярно-генетический уровень организации живого

Живые организмы являются открытыми высокоупорядоченными системами. Упорядоченность и иерархическая подчиненность поддерживаются за счет контролируемого обмена веществами и энергией с внешней средой – одного из основных свойств живого.

Обмен веществ (метаболизм) для удобства изучения делят на два противоположных и взаимосвязанных процесса, которые происходят одновременно:

I. Анаболизм (ассимиляция) включает процессы биосинтеза сложных органических веществ из более простых. При этом организм расходует энергию либо световую, либо химическую. Другие виды энергии живые организмы расходовать не могут.

Сложные органические вещества в свою очередь могут синтезироваться из неорганических соединений углерода (углекислый газ) или других, более простых органических соединений.

Исходя из этого, принята классификация живых организмов в соответствии с источником углерода и энергии:

Источник энергии

 

Источник углерода

Автотрофы (СО2)

Гетеротрофы (орг. в-ва)

Фототрофы (энергия света)

Фотоавтотрофы:

зеленые растения (H2O)

цианобактерии (H2O)

зеленые и пурпурные серобактерии (H2S)

Фотогетеротрофы:

пурпурные несерные бактерии

Хемотрофы (энергия химических реакций)

Хемоавтотрофы:

азотфиксирующие бактерии

Хемогетеротрофы:

все животные и грибы, большинство бактерий, паразитические растения

 

Подавляющее большинство видов относится к фотоавтотрофам и хемогетеротрофам. При этом по биомассе автотрофы преобладают, т.к. дают химическую энергию для существования гетеротрофов. Но разнообразие видов значительно больше у гетеротрофов.

Важнейшим процессом анаболизма является фотосинтез у растений и цианобактерий, в результате синтезируется крахмал из углекислого газа и воды. Фотосинтез является основным источником нарастания биомассы на Земле. Практически у всех организмов происходит биосинтез белка, нуклеиновых кислот (в т.ч. репликация ДНК), углеводов и липидов из других органических веществ, а также витаминов, восков, терпенов и др. соединений.

II. Катаболизм (диссимиляция) включает процессы распада сложных органических веществ до более или менее простых с целью получения в первую очередь энергии (в виде носителей – АТФ, ГТФ, КФ). При этом образовавшиеся вещества могут в дальнейшем использоваться или выделяться из организма.

Окисление субстрата, приводящее к получению химической энергии в виде АТФ, называется клеточным дыханием. Его следует отличать от внешнего дыхания, т.е. газообмена между организмом и внешней средой.

Универсальным источником энергии для человека и большинства живых организмов является глюкоза. Фруктоза также может подвергаться окислению.

Глюкоза расщепляется до конечных продуктов – углекислого газа и воды - в присутствии кислорода. У организмов-аэробов, т.е. тех, которые имеют ферменты для кислородного расщепления, это происходит в интенсивно работающих тканях, например, в сердечной мышце. Другие ткани довольствуются энергией бескислородного расщепления – гликолиза. Глюкоза при этом расщепляется до ПВК и быстро получается небольшое количество энергии (2 молекулы АТФ на 1 молекулу глюкозы). При функциональной нагрузке эти ткани переходят на кислородные процессы.

Но не все живые организмы имеют ферменты цитохромы, необходимые для аэробного процесса. Такие организмы называются анаэробами и довольствуются энергией глюколиза, кислород для них не нужен, а нередко и ядовит. Это, например, некоторые бактерии, паразитические простейшие и гельминты.

Следует отметить, что в результате катаболизма образуется не только химическая, но тепловая и электрическая энергия, иногда световая и механическая.

Важным источником энергии, кроме углеводов, являются жиры, белки для получения энергии разрушаются только в случае голодания организма.

ХИМИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА. СТРОЕНИЕ НУКЛЕИРНОВЫХ КИСЛОТ. ПОТОКИ ВЕЩЕСТВА И ИНФОРМАЦИИ В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ

ДНК и РНК – нуклеиновые кислоты, они определяют синтез белков и передачу наследственной информации. Молекула ДНК состоит из двух спирально закрученных цепей. Диаметр двойной спирали 2 нм (1 нм = 10-9 м), длина – несколько десятков или сотен микрометров (в сотни или тысячи раз больше самой крупной белковой молекулы). ДНК – полимер, мономерами которого являются нуклеотиды. Нуклеотиды ДНК – соединения, состоящие из остатков молекул фосфорной кислоты, углевода дезоксирибозы и азотистого основания. У ДНК четыре типа азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц), тимин (Т). Каждая цепь ДНК – полинуклеотид, состоящий из нескольких десятков тысяч нуклеотидов.

РНК – полимер, по структуре сходный с одной цепочкой ДНК, но меньших размеров. Мономеры РНК – нуклеотиды, состоящие из фосфорной кислоты, углевода рибозы и азотистого основания. Три азотистых основания РНК – аденин, гуанин и цитозин – соответствуют таковым ДНК, а вместо тимина в РНК присутствует урацил. Известны 3 вида РНК: информационная (иРНК) – передает информацию о структуре белка с молекулы ДНК; транспортная (тРНК) – транспортирует аминокислоты к рибосомам; рибосомальная (рРНК) – содержится в рибосомах, участвует в поддержании структуры рибосомы.

Поток информации в живых организмах:

 

 Ì¾® ДНК ¾® Репликация (потомки)

 |  ¾®     ¯ (транскрипция (ядро))

 |  ¾® иРНК

 |               ¯ (трансляция (рибосомы))

 | ¬¾ полипептид

 |               ¯

ͬ¾  признак

 

Таким образом, информация о всех признаках организма хранится в ДНК, она передается потомкам и реализуется непосредственно данным организмом. Но на процесс реализации могут влиять образовавшиеся полипептиды и сформировавшиеся признаки. Это называется механизмом обратной связи.

Репликация ДНК – это процесс, в результате которого из одной молекулы образуются две дочерние, полностью идентичные материнской, что обеспечивает передачу наследственной информации от поколения к поколению. Репликация осуществляется в соответствии со следующими принципами:

  1. Комплементарности;
  2. Полуконсервативности, т.е. каждая дочерняя спираль включает в себя одну синтезированную и одну материнскую полинуклеотидные цепи;
  3. Антипараллельности. ДНК-полимераза движется от 3¢ к 5¢-концу, т.о. дочерняя нить подстраивается антипараллельно, т.е. от 5¢ к 3¢-концу.
  4. Прерывистости. Синтез дочерних нитей ДНК начинается сразу в нескольких местах. Вся молекула не раскручивается, т.к. она очень велика. Участок между двумя точками, где начинается синтез дочерних цепей, называется репликоном. В каждом репликоне есть так называемая вилка репликации, т.е. та часть молекулы, которая под действием специальных ферментов уже расплелась и служит матрицей для синтеза.

В процессе репликации принимает участие много белков-ферментов. ДНК-геликаза расплетает двойную спираль ДНК, разделяя ее полинуклеотидные цепи. ДНК-топоизомераза разрывает связь между остатками фосфорной кислоты и дезоксирибозы в одной из полинуклеотидных цепей ДНК, что дает ей возможность вращаться вокруг второй и снимать напряжение, вызываемое расплетением спирали и расхождением цепей в репликационной вилке. РНК-праймаза синтезирует РНК-затравки. ДНК-полимераза осуществляет непрерывный синтез лидирующей цепи и синтез фрагментов Оказаки отстающей цепи. ДНК-лигаза сшивает фрагменты после удаления РНК-затравки.

РЕПАРАЦИЯ ДНК

Данный механизм отличается очень высокой точностью воспроизведения структуры ДНК.

1. Главная роль в нем принадлежит ферменту ДНК-полимеразе, которая может допустить ошибку только в среднем 1 раз на 106 комплементарных пар оснований. Тогда вступает в действие механизм самокоррекции – отщепление ошибочного нуклеотида самой ДНК-полимеразой и замена его необходимым.

2. Ошибки, оставшиеся после самокоррекции между циклами репликации, обнаруживаются специфическими ферментами. Искажение структуры обнаруживается специфическими ферментами. Затем данный участок удаляется и замещается новым, синтезированным на второй цепи ДНК. Такую репарацию называют эксцизионной (т.е. с «вырезанием») или дорепликативной.

3. Иногда дорепликативная репарация не может устранить все изменения, и они входят в обе дочерние молекулы. Эти изменения устраняются в ходе пострепликативной репарации. Она состоит в рекомбинации (обмене фрагментами) между двумя вновь образованными двойными спиралями ДНК. Примером такой репликации может служить удаление возникших тиминовых димеров.

4. SOS-репарация осуществляется при очень большом количестве ошибок специальными ферментами, активируемыми электромагнитным излучением (светом). При этом изменения структуры ДНК (мутации) закрепляются в генотипе. Данный вид репарации имеет важное значение в тех случаях, когда необходимо быстро восстановить функциональную активность ДНК.

СИНТЕЗ БЕЛКА

Биосинтез белков идет в каждой живой клетке. Наследственная информация хранится в молекулах ДНК, а передается в цитоплазму информационной РНК (иРНК), которая комплементарна одной нити молекулы ДНК. Отрезок ДНК, содержащий информацию о структуре одного белка, называют геном.

Свойства кода ДНК:

  1. триплетность.
  2. вырожденность.
  3. однозначность и наличие знаков препинания.
  4. неперекрываемость.
  5. непрерывность.
  6. универсальность.

Транскрипцией называется перенос информации с ДНК на РНК. Причем матрицей для синтеза РНК служит только одна из двух цепей молекулы ДНК, называемая кодогенной цепью. Данный процесс происходит в ядре по принципу комплементарности. В транскрипции различают 4 стадии:

1. Связывание РНК-полимеразы (фермента, осуществляющего синтез РНК) с промотором.

2. Инициация – начало синтеза иРНК. В реакции участвуют нуклеотидтрифосфаты. Инициация – образование первой связи между двумя нуклеотидами (первый обычно АТФ или ГТФ).

3. Элонгация – рост цепи РНК. Для этого процесса необходимы ионы магния. В процессе элонгации образуется молекула РНК, состоящая из нуклеотидмонофосфатов, и освобождается пирофосфат (Н4Р2О7).

4. Терминация – завершение синтеза РНК в участках-терминаторах.

Пройдя через поры ядерной оболочки, иРНК направляется к рибосомам, где осуществляется расшифровка генетической информации.

Трансляцией называется процесс синтеза белка на рибосомах, направляемый матрицей иРНК. Стадии:

1. Стадия активации аминокислот. Каждая аминокислота взаимодействует с молекулой АТФ под действием особого фермента, специфичного для каждой аминокислоты. Все эти ферменты носят общее название кодазы.

2. Присоединение фосфорилированных аминокислот к тРНК с образованием комплекса. Фермент при этом освобождается.

3. Собственно трансляция, или полимеризация, аминокислотных остатков с образованием пептидных связей.

4. Конформационная стадия (белок приобретает необходимую форму).

Две первые стадии идут в цитоплазме. Третья стадия – в рибосомах.

ПОСТТРАНСКРИПЦИОННЫЕ И ПОСТТРАНСЛЯЦИОННЫЕ ПРОЦЕССЫ

Внутри самого структурного гена также различают участки смысловые (экзоны) и несмысловые, «молчащие» (интроны), т.е. ген имеет прерывистую, мозаичную структуру. На матрице структурного гена синтезируется так называемая про-иРНК, копия всего гена. Затем про-иРНК подвергается созреванию, или процессингу, в ходе которого там же в ядре все несмысловые участки вырезаются, а концы кодирующих последовательностей соединяются. Этот процесс называется сплайсингом. Все интроны вырезаются не всегда. При изменении условий часть из них может остаться в зрелой иРНК подобно экзонам. Иногда же вырезаются какие-либо экзоны. Таким образом, один ген способен кодировать структуру нескольких белков.

По окончании трансляции первая аминокислота в белковой цепи вырезается. Полученный полипептид имеет только первичную структуру, чтобы он приобрел функциональную активность, по выходу из рибосомы синтезируется вторичная, третичная, а у некоторых белков – четвертичная структура.

РЕГУЛЯЦИЯ БИОСИНТЕЗА БЕЛКА

Регуляцию процессов биосинтеза белков описали в 1961 г. описали французские ученые Франсуа Жакоб, Андре-Мишель Львов, Жан Люсьен Моно у бактерий. За эту работу они получили нобелевскую премию. У прокариот можно выделить структуру, называемую опероном. Это участок ДНК, состоящий из следующих частей:

  1. Промотор – определенная последовательность нуклеотидов, которая связывается с ферментом РНК-полимеразой. Процесс связывания является первым этапом в последующей транскрипции.
  2. Оператор – участок ДНК, связанный с белком-репрессором. До тех пор, пока эта связь не нарушена, РНК-полимераза не будет считывать информацию.
  3. Ряд структурных генов, кодирующих информацию обо всех ферментах, участвующих в расщеплении определенного субстрата или синтезе какого-либо вещества.
  4. Терминатор – участок ДНК, на котором заканчивается считывание.

При поступлении субстрата в клетку его молекулы связываются с белком-репрессором, который после этого теряет способность взаимодействовать с оператором, происходит инициация, а РНК-полимераза начинает синтезировать иРНК, комплементарную структурным генам (элонгация). Затем в рибосомах синтезируются соответствующие ферменты, расщепляющие данный субстрат. Если субстрата не остается, освобождается белок-репрессор, который вновь блокирует оператор, и синтез иРНК и ферментов прекращается. Таким образом, бактерия синтезирует только те ферменты, которые ей необходимы в данный момент, что позволяет экономить энергию. Другой вариант регуляции связан с накоплением конечного вещества какого-либо биохимического процесса. Это вещество является одновременно корепрессором, который, связываясь с репрессором, делает его активным, и активность оператора подавляется.

У эукариот регуляция активности генов значительно сложнее. На нее влияют гормоны, медиаторы, другие биологически активные вещества, причем транскрипция, выход иРНК и трансляция регулируются отдельно и могут быть разделены во времени. Кроме того, структурные гены, кодирующие белки, необходимые для выполнения одной функции, могут быть расположены в разных хромосомах. Структура самих генов эукариот также более сложная.

У эукариот собственно гены разделены участками «молчащей», нетранскрибируемой ДНК – спейсерами. Они играют важную роль в регуляции транскрипции. На них, в частности, расположены последовательности нуклеотидов, усиливающие или угнетающие ее (например, при связывании гормонов). Функции промотора выполняет так называемый блок TATAAT, обогащенный последовательностями аденина и тимина (иногда встречаются и другие последовательности). Затем идет собственно ген, а затем участок-терминатор. После чего вновь идет спейсерный участок. 

ПРЕДМЕТЫ

О НАС

«Dendrit» - портал для студентов медицинских ВУЗов, включающий в себя собрание актуальных учебных материалов (учебники, лекции, методические пособия, фотографии анатомических и гистологических препаратов), которые постоянно обновляются по ходу учебного процесса в ЯГМУ.