Молекулярные
основы жизни.
Молекулярно-генетический
уровень жизни
— это уровень функционирования биополимеров
(белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов)
и других важных органических соединений,
лежащих в основе процессов жизнедеятельности
организмов.
Белки
и нуклеиновые кислоты являются «информационными»
молекулами, так как в их строении важную
роль играет последовательность мономеров,
которая может быть весьма разнообразной.
Полисахариды (крахмал, гликоген, целлюлоза)
играют роль источника энергии и строительного
материала для синтеза более крупных молекул.
Белки — это макромолекулы, представляющие
собой очень длинные цепи из аминокислот
— органических (карбоновых) кислот, содержащих,
как правило, одну или две аминогруппы
(—NH2).
В растворах аминокислоты способны проявлять
свойства, как кислот, так и оснований.
Это делает их своеобразным буфером на
пути опасных физико-химических изменений.
В живых клетках и тканях встречается
свыше 170 аминокислот, однако в состав
белков их входит только 20. Именно последовательность
аминокислот, соединенных друг с другом
пептидными связями, образует первичную
структуру белков. На долю белков приходится
свыше 50% общей сухой массы клеток.
Большинство белков выполняет функцию
катализаторов (ферментов). В их пространственной
структуре есть активные центры в виде
углублений определенной формы. В такие
центры попадают молекулы, превращение
которых катализируется данным белком.
Кроме того, белки играют роль переносчиков;
например, гемоглобин переносит кислород
от легких к тканям. Мышечные сокращения
и внутриклеточные движения — результат
взаимодействия молекул белков, функция
которых заключается в координации движения.
Функцией белков-антител является защита
организма от вирусов, бактерий и т.д. Активность
нервной системы зависит от белков, с помощью
которых собирается и хранится информация
из окружающей среды. Белки, называемые
гормонами, управляют ростом клеток и
их активностью.
Носителем наследственной
информации у всех живых организмов является
молекула ДНК.
ДНК - биологический полимер, состоящий
из двух полинуклеотидных цепей, соединенных
друг с другом.
Первая функция ДНК - это хранение наследственной
информации, которая заключена в последовательности
нуклеотидов одной из её цепей.
Вторая функция ДНК - это передача наследственной
информации из поколения в поколение.
Она осуществляется благодаря редупликации
материнской молекулы и последующего
распределения дочерних молекул между
клетками-потомками. ДНК участвует в качестве
матрицы, которая в процессе передачи
генетической информации из ядра в цитоплазму
к месту синтеза белка. При этом на одной
из её цепей по принципу комплементарности
из нуклеотидов окружающей молекулу среды
синтезируется молекула информационной
РНК.
Молекула ДНК представляет
собой две спаренные, закрученные
в спирали нити, каждая из которых
соединяется с другой водородными
связями.
Модель строения
ДНК - полностью подтвержденная экспериментально,
была предложена в 1953г. Э. Криком и Дж.
Уотсоном. ДНК состоит из четырех дезоксирибонуклеотидов,
каждый из которых включает дезоксирибозу,
остаток фосфорной кислоты РО4 и одно из
четырех азотистых оснований: аденин (А),
цитозин (Ц), гуанин (Г), тимин (Т).
В синтезе белков
важная роль принадлежит также РНК.
Синтез белка происходит в особых
областях клетки — рибосомах (иногда
их образно называют «фабрики белка»).
Существуют по крайней мере три типа РНК:
высокомолекулярная, локализующаяся в
рибосомах; информационная, образующаяся
в ядре клетки; транспортная.
В ядре генетический
код переносится с молекул
ДНК на молекулу информационной РНК.
Генетическая информация о последовательности
и характере синтеза белка
переносится из ядра молекулами информационной
РНК в цитоплазму к рибосомам
и там участвует в синтезе
белка. Перенос и присоединение
отдельных аминокислот к месту
синтеза осуществляются транспортной
РНК. Белок, содержащий тысячи аминокислот,
в живой клетке синтезируется за 5—6 мин.
РНК похожа на ДНК
и тоже построена из мономерных нуклеотидов
4 типов. Только в состав РНК вместо тимидинового
нуклеотида входит похожий на него - уридиловый
(У) (урацил). Также в состав РНК входит
сахар - рибоза. Но Равное отличие: спираль
- одинарная. РНК участвуют в реализации
наследственной информации, хранящейся
в ДНК, через синтез белка.
Доказано, что самокопирование ДНК и реализация
заключенной в ней информации происходит
только при наличии ферментов, источников
энергии - молекул АТФ, воды и других соединений.
АТФ - аденозинтрифосфорная кислота - универсальный
биологический аккумулятор энергии: световая
энергия Солнца и энергия, заключенная
в потребляемой пище, запасается в молекулах
АТФ.
Генетический
код - свойственная живым организмам
единая система записи наследственной
информации в молекулах нуклеиновых кислот
в виде последовательности нуклеотидов.
Каждый нуклеотид обозначается заглавной
буквой, с которой начинается название
азотистого основания, входящего в его
состав: - А (A) аденин; - Г (G) гуанин; - Ц (C)
цитозин; - Т (T) тимин (в ДНК) или У (U) урацил
(в мРНК).
Реализация генетического кода в клетке
происходит в два этапа: транскрипцию
и трансляцию. Первый из них протекает
в ядре; он заключается в синтезе молекул
и-РНК на соответствующих участках ДНК.
При этом последовательность нуклеотидов
ДНК "переписывается" в нуклеотидную
последовательность РНК. Второй этап протекает
в цитоплазме, на рибосомах; при этом последовательность
нуклеотидов и-РНК переводится в последовательность
аминокислот в белке: этот этап протекает
при участии транспортной РНК (т-РНК) и
соответствующих ферментов.
Свойства генетического
кода:
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; есть ряд исключений, показанный
в таблице раздела «Вариации стандартного
генетического кода» ниже).
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.
