ТЕМА 1. КОНЦЕПЦИИ СТРУКТУРЫ И РАЗВИТИЯ ЖИВОЙ МАТЕРИИ. БИОЛОГИЧЕСКАЯ, ГЕОХРОНОЛОГИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА. ПРИНЦИПЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ЭВОЛЮЦИИ.
ТЕМА 1.1. КОНЦЕПЦИИ БИОЛОГИЧЕСКОГО УРОВНЯ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ. ПРИНЦИПЫ ВОСПРОИЗВОДСТВА И РАЗВИТИЯ ЖИВЫХ СИСТЕМ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ГЕНЕТИКИ.
Биология, ее роль в современной науке. Становление теоретической биологии. Зарождение экспериментальной биологии во второй половине ХIХ века. Интеграция биологических наук. Системный подход в исследовании природы.
Биология – это наука о живом, его строении, формах активности, сообществах живых организмов, их распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой. Биология изучает все аспекты жизни, в частности, структуру, функционирование, рост, происхождение, эволюцию и распределение живых организмов на Земле. Классифицирует и описывает живые существа, происхождение их видов, взаимодействие между собой и с окружающей средой.
У каждой науки есть объект и предмет исследования. Поскольку понятие наукаопределяется, как «сфера человеческой деятельности по получению, систематизации объективных знаний о действительности». В соответствии с этим определением объектом науки – биологии является жизнь во всех ее проявлениях и формах, а также на разных уровнях. Жизнь есть качественно новая форма организации материи, основное свойство которой состоит в способности усваивать энергию Солнца за счет процесса фотосинтеза и воспроизводить из неживого живое. Современная биологическая картина мира основывается на том, что мир живого – это колоссальная система высокоорганизованных систем.
Предмет изучения науки всегда несколько уже, ограниченнее, чем объект. Предмет изучения биологии – все проявления жизни, а именно:
· ·строение и функции живых существ и их природных сообществ;
· ·распространение, происхождение и развитие новых существ и их сообществ;
· ·связи живых существ и их сообществ друг с другом и с неживой природой.
Так, например, кого-то из ученых интересует обмен веществ организмов. Тогда объектом изучения будет жизнь, а предметом изучения – обмен веществ. С другой стороны, обмен веществ тоже может быть объектом исследования, но тогда предметом исследования будет одна из его характеристик, например обмен белков, или жиров, или углеводов.
Биология тесно связана с другими науками – химией, физикой, экологией, географией. Собственно биология делится на множество частных наук, изучающих различные биологические объекты: биология растений и животных, физиология растений, морфология, генетика, систематика, селекция, микология, гельминтология и множество других наук.
Современная биологическая наука – результат длительного процесса развития. Интерес к познанию живого у человека возник очень давно, он был связан с его потребностями – в пище, лекарствах, одежде, жилье и т.д.
Но только в первных древних цивилизованных обществах люди стали изучать живые организмы более тщательно. Одним из первых биологов древности был Аристотель.
В развитии биологии выделяют три основных этапа:
1) систематики (К. Линней);
2) эволюционный (Ч. Дарвин);
3) биологии микромира (Г. Мендель).
Каждый из них связан с изменением представлений о мире живого, самих основ биологического мышления.
В основе современной биологии лежат5 фундаментальных принципов:клеточная теория, эволюция, генетика, гомеостаз и энергия.
Каждая наука, в том числе и биология, пользуется определенными методами исследования. Некоторые из них универсальны для всех наук, например такие, как наблюдение, выдвижение и проверка гипотез, построение теорий. Другие научные методы могут быть использованы только определенной наукой: генеалогический, гибридизация, метод культуры тканей и т.д.
Метод – это путь исследования, который проходит ученый, решая какую-либо научную задачу, проблему.
Задачи биологии состоят в изучении всех биологических закономерностей и раскрытии сущности жизни. При этом в биологии используется ряд методов, характерных для естественных наук. К основным методам биологии относятся:
· ·наблюдение, позволяющее описать биологическое явление;
· ·сравнение, дающее возможность найти закономерности, общие для разных явлений;
· эксперимент, в ходе которого исследователь искусственно создает ситуацию позволяющую выявить глубоко лежащие (скрытые) свойства биологических объектов;
· ·исторический метод, позволяющий на основе данных о современном мире живого и о его прошлом, раскрывать законы развития живой природы.
Методы науки «Биология»:
1. Универсальные:
Моделирование – метод, при котором создается некий образ объекта, модель, с помощью которой ученые получают необходимые сведения об объекте (Джеймс Уотсон и Френсис Крик создали из пластмассовых элементов модель – двойную спираль ДНК, отвечающую данным рентгенологических и биохимических исследований. Эта модель вполне удовлетворяла требованиям, предъявляемым к ДНК).
Наблюдение – метод, с помощью которого исследователь собирает информацию об объекте (можно визуально наблюдать за поведением животных, с помощью приборов за изменениями в живых объектах, за сезонными изменениями в природе). Выводы, сделанные наблюдателем, проверяются либо повторными наблюдениями, либо экспериментально.
Эксперимент (опыт) – метод, с помощью которого проверяют результаты наблюдений, выдвинутые предположения –гипотезы (получение новых знаний с помощью поставленного опыта). Примеры экспериментов: скрещивания животных или растений с целью получения нового сорта или породы, проверка нового лекарства.
Проблема – вопрос, задача, требующие решения. Решение проблемы ведет к получению нового знания. Научная проблема всегда скрывает какое-то противоречие между известным и неизвестным. Решение проблемы требует от ученого сбора фактов, их анализа, систематизации.
Сформулировать проблему бывает достаточно сложно, однако всегда, когда есть затруднение, противоречие, появляется проблема.
Гипотеза – предположение, предварительное решение поставленной проблемы. Выдвигая гипотезы, исследователь ищет взаимосвязи между фактами, явлениями, процессами. Именно поэтому гипотеза чаще всего имеет форму предположения: «если … тогда». Гипотеза проверяется экспериментально.
Теория – это обобщение основных идей в какой-либо научной области знания. Со временем теории дополняются новыми данными, развиваются. Некоторые теории могут опровергаться новыми фактами. Верные научные теории подтверждаются практикой.
2. Частные научные методы биологии:
Генеалогический – применяется при составлении родословных людей, выявлении характера наследования некоторых признаков.
Исторический – установление взаимосвязей между фактами, процессами, явлениями, происходившими на протяжении исторически длительного времени (несколько миллиардов лет).
Палеонтологический – метод, позволяющий выяснить родство между древними организмами, останки которых находятся в земной коре, в разных геологических слоях.
Центрифугирование – разделение смесей на составные части под действием центробежной силы. Применяется при разделении органоидов клетки, легких и тяжелых фракций (составляющих) органических веществ и т.д.
Цитологический или цитогенетический – исследование строения клетки, ее структур с помощью различных микроскопов.
Биохимический – исследование химических процессов, происходящих в организме.
Каждая частная биологическая наука (ботаника, зоология, анатомия и физиология, цитология, эмбриология, генетика, селекция, экология и другие) пользуется своими более частными методами исследования.
В настоящее время биология представляет собой целый комплекс наук о живой природе. Биология – совокупность или система наук о живых системах. Понятие «живые системы» здесь важно подчеркнуть, поскольку жизнь не существует сама по себе, а является свойством определенных систем.
Структуру биологии можно рассматривать с разных точек зрения.
По объектам исследования (по предмету изучения) биология подразделяется на вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию, микробиология антропологию.
По общим свойствам, проявлениям живого в биологии выделяются:
§ морфология – наука о строении живых организмов;
§ физиология – наука о функционировании организмов;
§ молекулярная биология, изучающая микроструктуру живых тканей и клеток;
§ экология, рассматривающая взаимоотношения живых существ и их природных сообществ с окружающей средой;
§ биохимия, изучающая превращения вещества и энергии;
§ генетика, исследующая законы наследственности и изменчивости.
По уровню организации живой материи, на котором рассматриваются живые системы, выделяются:
§ молекулярная биология;
§ цитология;
§ гистология;
§ анатомия, изучающая макроскопическое строение животных;
§ гистология, изучающая строение тканей;
§ цитология, исследующая строение живых клеток.
Приведенные классификации, разумеется, не носят абсолютного характера. Так, например, исследование клетки (цитология) в настоящее время немыслимо без изучения биохимии клетки.
Можно также говорить о трех магистральных направлениях биологии или, по образному выражению трех образах биологии:
1. Традиционная или натуралистическая биология. Ее объектом изучения является живая природа в ее естественном состоянии и нерасчлененной целостности – «Храм природы», как называл ее Эразма Дарвина. Истоки традиционной биологии восходят к средним векам, хотя вполне естественно здесь вспомнить и работы Аристотеля, который рассматривал вопросы биологии, биологического прогресса, пытался систематизировать живые организма («лестница Природы»). Оформление биологии в самостоятельную науку – натуралистическую биологию приходится на 18-19 века. Первый этап натуралистической биологии ознаменовался созданием классификаций животных и растений. К ним относятся известная классификация К. Линнея (1707 – 1778), являющаяся традиционной систематизацией растительного мира, а также классификация Ж.-Б. Ламарка, применившего эволюционный подход к классифицированию растений и животных. Традиционная биология не утратила своего значения и в настоящее время. В качестве доказательства приводят положение экологии среди биологических наук а также во всем естествознании. Ее позиции и авторитет в настоящее время чрезвычайно высоки, а она в первую очередь основывается в принципахтрадиционной биологии, поскольку исследует взаимоотношений организмов между собой (биотические факторы) и со средой обитания (абиотические факторы).
2. Функционально-химическая биология, отражающая сближение биологии с точными физико-химическими науками. Особенность физико-химической биологии – широкое использование экспериментальных методов, которые позволяют исследовать живую материю на субмикроскопическом, надмолекулярном и молекулярном уровнях. Одним из важнейших разделов физико-химической биологии является молекулярная биология – наука изучающая структуру макромолекул, лежащих в основе живого вещества. Биологию нередко называют одной из лидирующих наук 21-го века.
К важнейшим экспериментальным методам, использующимся в физико-химической биологии, относятся метод меченых (радиоактивных) атомов, метолы рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии, методы фракционирования (например, разделение различных аминокислот), использование ЭВМ и др.
3. Эволюционная биология. Это направление биологии изучает закономерности исторического развития организмов. В настоящее время концепция эволюционизма стала, фактически, платформой, на которой происходит синтез разнородного и специализированного знания. В основе современной эволюционной биологии лежит теория Дарвина. Интересно и то, что Дарвину в свое время удалось выявить такие факты и закономерности, которые имеют универсальное значение, т.е. теория созданная им, приложима к объяснению явлений, происходящих не только в живой, но и неживой природе. В настоящее времяэволюционный подход взят на вооружение всем естествознанием. Вместе с тем, эволюционная биология – самостоятельная область знания, с собственными проблемами, методами исследования и перспективой развития.
В настоящее время предпринимаются попытки синтеза этих трех направлений («образов») биологии и оформления самостоятельной дисциплины – теоретической биологии.
4. Теоретическая биология. Целью теоретической биологии является познание самых фундаментальных и общих принципов, законов и свойств, лежащих в основе живой материи. Здесь разные исследования выдвигают различные мнения по вопросу о том, что должно стать фундаментом теоретической биологии. Рассмотрим некоторые из них:
Аксиомы биологии
Б.М. Медников – видный теоретик и экспериментатор, вывел 4 аксиомы, характеризующие жизнь и отличающие её от «нежизни».
Табл. Аксиомы биологии
| Аксиома 1 Все живые организмы должны состоять из фенотипа и программы для его построения (генотипа), передающейся по наследству из поколения в поколение. Наследуется не структура, а описание структуры и инструкция по ее изготовлению. Жизнь на основе только одного генотипа или одного фенотипа невозможна, т.к. при этом нельзя обеспечить ни самовоспроизведения структуры, ни ее самоподдержания. (Д. Нейман, Н. Винер) | Аксиома 2 Генетические программы не возникают заново, а реплицируются матричным способом. В качестве матрицы, на которой строится ген будущего поколения, используется ген предыдущего поколения. Жизнь – это матричное копирование с последующей самосборкой копий. (Н.К. Кольцов) |
| Аксиома 3 В процессе передачи из поколения в поколение генетические программы в результате многих причин изменяются случайно и ненаправленно, и лишь случайно эти изменения оказываются приспособительными. Отбор случайных изменений не только основа эволюции жизни, но и причина ее становления, потому что без мутаций отбор не действует. Эта аксиома основана на принципах статистической физики и принципе неопределенности В. Гейзенберга. | Аксиома 4 В процессе формирования фенотипа случайные изменения генетических программ многократно усиливаются, что делает возможным их селекцию со стороны факторов внешней среды. Из-за усиления в фенотипах случайных изменений эволюция живой природы принципиально непредсказуема. (Н.В.Тимофеев-Ресовский) |
Э.С.Бауэр (1935г.) выдвинул в качестве основной характеристики жизни принцип устойчивой неравновесности живых систем.
Л. Берталанфи (1932г.) рассматривал биологические объекты как открытые системы, находящиеся в состоянии динамического равновесия.
Э. Щредингер (1945г.), Б.П. Астауров представляли создание теоретической биологии по образу теоретической физики.
С. Лем (1968г.) выдвинул кибернетическую интерпретацию жизни.
А.А. Малиновский (1960г.) предлагал в качестве основы теоретической биологии математические и системные методы.
Таким образом, задача построения теоретической биологии отличается чрезвычайной сложностью, комплексностью и многоплановостью. Создание такой теории – одна из важнейших задач современной науки. Вместе с тем ряд авторов [5] подчеркивает, что основой теоретической биологии в любом случае служит развитие эволюционного подхода, и, таким образом, теоретическая биология может рассматриваться как дальнейшее развитие эволюционной биологии.
Химический состав живого
Живые организмы состоят из огромного числа химических веществ, органических и неорганических, полимерных и низкомолекулярных. В живых системах найдены многие химические элементы, присутствующие в окружающей среде, однако необходимы для жизни лишь около 20 из них. Эти элементы получили название биогенных.
В процессе эволюции от неорганических веществ к биоорганическим основой использования тех или иных химических элементов при создании биосистем является естественный отбор. В результате такого отбора основу всех живых систем составляют только шесть элементов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера, получивших название органогенов. Их содержание в организме достигает 97,4%.
Органогены — главные химические элементы, входящие в состав органических веществ: углерод, водород, кислород и азот.
С точки зрения химии естественный отбор элементов-органогенов можно объяснить их способностью образовывать химические связи: с одной стороны, достаточно прочные, то есть, энергоемкие, а с другой, достаточно лабильные, которые легко могли бы поддаваться гемолизу, гетеролизу, циклическому перераспределению.
Органогеном номер один, несомненно, является углерод. Его атомы образуют прочные ковалентные связи между собой или с атомами других элементов. Эти связи могут быть ординарными или кратными, благодаря таким 3 связям углерод способен образовывать сопряженные или кумулированные системы в виде открытых или закрытых цепей, циклов.
В отличие от углерода, элементы-органогены водород и кислород лабильные связи не образуют, но их наличие в органической, в том числе, в биоорганической молекуле определяет ее способность взаимодействовать с биорастворителем-водой. Кроме того, водород и кислород являются носителями окислительно-восстановительных свойств живых систем, они обеспечивают единство окислительно- восстановительных процессов.
Остальные три органогена – азот, фосфор и сера, а также некоторые другие элементы – железо, магний, составляющие активные центры ферментов, как и углерод, способны образовывать лабильные связи. Положительным свойством органогенов является также и то, что они, как правило, образуют легко растворимые в воде соединения и поэтому концентрируются в организме.
Существует несколько классификаций химических элементов, содержащихся в организме человека. Так, В.И.Вернадский в зависимости от среднего содержания в живых организмах разделил элементы на три группы:
1. Макроэлементы. Это элементы, содержание которых в организме выше 10-² % . К ним относятся углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера, кальций, магний, натрий и хлор, калий, железо. Эти так называемые универсальные биогенные элементы, присутствующие в клетках всех организмов.
2. Микроэлементы. Это элементы, содержание которых в организме находится в пределах от 10-² до 10-¹² %. К ним относятся йод, медь, мышьяк, фтор, бром, стронций, барий, кобальт. Хотя этих элементов содержится в организмах в крайне низких концентрациях (не выше тысячной доли процента), но они также необходимы для нормальной жизнедеятельности. Это биогенные микроэлементы. Их функции и роль весьма разнообразны. Многие микроэлементы входят в состав ряда ферментов, витаминов, дыхательных пигментов, некоторые влияют на рост, скорость развития, размножение и т. д.
3. Ультрамикроэлементы. Это элементы, содержание которых в организме ниже 10- ¹²%. К ним относятся ртуть, золото, уран, радий и др.
В.В.Ковальский, исходя из степени значимости химических элементов для жизнедеятельности человека, подразделил их на три группы:
1. Незаменимые элементы. Они постоянно находятся в организме человека, входят в состав его неорганических и органических соединений. Это H, O, Ca, N, K, P, Na, S, Mg, Cl, C, I, Mn, Cu, Co, Zn, Fe, Mo, V. Дефицит содержания этих элементов приводит к нарушению нормальной жизнедеятельности организма.
2. Примесные элементы. Эти элементы постоянно находятся в организме человека, но их биологическая роль еще не всегда выяснена или мало изучена. Это Ga, Sb, Sr, Br, F, B, Be, Li, Si, Sn, Cs, As, Ba, Ge, Rb, Pb, Ra, Bi, Cd, Cr, Ni, Ti, Ag, Th, Hg, Ce, Se.
3. Микропримесные элементы. Они найдены в организме человека, но ни о количественном содержании, ни о биологической роли их нет. Это Sc, Tl, In, La, Sm, Pr, W, Re, Tb и др. Химические элементы, необходимые для построения и жизнедеятельности клеток и организмов, называют биогенными.
Среди неорганических веществ и компонентов основное место занимает – вода.
Для поддержания ионной силы и рН-среды, при которых протекают процессы жизнедеятельности, необходимы определённые концентрации неорганических ионов. Для поддержания определённой ионной силы и соединения буферной среды необходимо участие однозарядных ионов: аммония(NH4+); натрия(Na+); калия (К+). Катионы не являются взаимозамещёнными, существуют специальные механизмы, поддерживающие необходимый баланс между ними.
Неорганические соединения:
-соли аммония;
-карбонаты;
-сульфаты;
-фосфаты.
Неметаллы:
1. Хлор (основной). В виде анионов участвует в создании солевой среды, иногда входит в состав некоторых органических веществ.
2. Йод и его соединения принимают участие в некоторых процессах жизнедеятельности органических соединений (живых организмов). Йод входит в состав гормонов щитовидной железы (тироксина).
3. Производные селена. Селеноцестеин, входит в состав некоторых ферментов.
4. Кремний – входит в состав хрящей и связок, в виде эфиров ортокремневой кислоты, принимает участие в шивке полисахаридных цепей.
Много соединений в живых организмах представляют собой комплексы: гем – это комплекс железа с плоской молекулой парафина; коболамин.
Магний и кальций – основные металлы, не считая железа, – повсеместно распространены в биосистемах. Концентрация ионов магния имеет важное значение для поддержания целостности и функционирования рибосом, то есть для синтеза белков.
Магний также входит в состав хлорофилла. Ионы кальция принимают участие в клеточных процессах в том числе мышечных сокращений. Нерастворённые соли – участвуют в формировании опорных структур:
-фосфат кальция (в костях);
-карбонат (в раковинах моллюсков).
Ионы металлов 4 периода входят в состав ряда жизненно важных соединений – ферментов. Некоторые белки содержат железо в виде железосерных кластеров. Ионы цинка содержатся в значительном числе ферментов. Марганец входит в состав небольшого числа ферментов, но играет важную роль в биосфере, при фотохимическом восстановлении воды, обеспечивает выделение в атмосферу кислорода и поступление электронов в цепь переноса при фотосинтезе.
Кобальт – входит в состав ферментов в виде – кобаламинов (витамин В 12).
Молибден – необходимый компонент фермента – нитродиназа (который катализует восстановление атмосферного азота до аммиака, в азотфиксирующих бактериях)
Большое число органических веществ входит в состав живых организмов: уксусная кислота; уксусный альдегид; этанол (является продуктами и субстратами биохимических превращений).
Основные группы низкомолекулярных соединений живых организмов:
Аминокислоты – являются составными частями белков
Нуклеамиды – составляющая часть нуклеиновых кислот
Моно и алигосахариды – составляющие структурных тканей
Липиды – составные части клеточных стенок.
Кроме предыдущих существуют:
- кофакторы ферментов – необходимые компоненты значительного числа ферментов, катализируют окислительно-восстановительные реакции.
- коферменты – органические соединения, функционирующие в определённых системах ферментных реакций. Например: никотиноамидоданин динуклеатид (NAD+). В окисленной форме – это окислитель спиртовых групп до карбонильных, при этом образуется восстановитель.
- Кофакторы ферментом – сложные органические молекулы, синтезируются из сложных предшественников, которые должны присутствовать в качестве обязательных компонентов пищи.
Для высших животных характерно образование и функционирование веществ управляющих нервной и эндокринной системой – гормоны и нейромедитаторы. Например, гормон надпочечника запускает окислительную переработку гликогена в процессах стрессовой ситуации.
Во многих растениях синтезируется сложный амин обладающий сильным биологическим действием – алкалоиды.
Терпены – соединения растительного происхождения, компоненты эфирных масел и смол.
Антибиотики – вещества микробиологического происхождения, выделяемые специальными видами микроорганизмов, подавляющих рост других конкурирующих микроорганизмов. Механизм их действия разнообразен, например замедление роста белков в бактериях.
Клеточный уровень
Любой живой организм состоит из клеток. Клетка является элементарной самостоятельной единицей не только строения, но и функционирования живого организма. Она представляет собой мельчайшую элементарную живую систему и является основой жизнедеятельности и воспроизводства всех живых организмов.
В клетке как микроносителе жизни заключена такая генетическая информация, которая вполне достаточна для производства всего организма. На клеточном уровне идут процессы обмена веществ, процессы передачи и переработки информации и превращения веществ и энергии. Поэтому элементарные явления на клеточном уровне создают энергетическую и вещественную основу жизни на других уровнях живой материи.
Исследование клетки стало возможным благодаря изобретению микроскопа в XVII в. Впервые клетка была описана английским естествоиспытателем Р. Гуком.
Клетки всех живых организмов сходны по своему строению и составу вещества. Всеми весьма многообразными и сложными процессами в клетке управляет особая структура – ядро. Ядро хранит и воспроизводит генетическую информацию, координирует и регулирует процессы обмена веществ в клетке, а также ее воспроизводство путем деления.
В начале XIX столетия было описано клеточное ядро, что послужило значительным толчком в развитии теории клетки. Клеточная теория явилась важнейшим событием в биологии XIX в. Именно она стала фундаментом для развития физиологии, эмбриологии, теории эволюции. Это явилось огромным шагом вперед в понимании индивидуального развития живых организмов.
Клетки отличаются большим разнообразием форм, размеров и функций. Их подразделяют на две группы: клетки, не содержащие ядра, то есть безъядерные клетки, представленные одноклеточными организмами – прокариотами, и клетки, имеющие ядро, то есть ядерные клетки, представляющие одноклеточные организмы – эукариоты, а также все многообразие многоклеточных организмов.
По типу питания клетки подразделяются на два вида: автотрофные, которые не нуждаются в органической пище и сами производят органические питательные вещества, используя энергию солнца, углерод, воду и минеральные вещества за счет процесса фотосинтеза (растения); и гетеротрофные, использующие для своего питания готовое органическое вещество.
Тканевый уровень
Совокупность клеток с одинаковым типом организации составляет ткань. Тканевый уровень возник вместе с появлением многоклеточных животных и растений, имеющих различающиеся между собой ткани. Большое сходство между всеми организмами сохраняется на тканевом уровне.
Органный уровень
Совместно функционирующие клетки, относящиеся к разным тканям, составляют органы. (Всего лишь шесть основных тканей входят в состав органов всех животных и шесть основных тканей образуют органы у растений).
Биоценотический уровень
Биогеоценозы – исторически сложившиеся устойчивые сообщества популяций различных видов, связанных между собой и окружающей средой обменом веществ, энергии и информации. Они являются элементарными системами, в которых осуществляется вещественно-энергетический круговорот, обусловленный жизнедеятельностью организмов.
ТЕМА 1.2. ПРИНЦИПЫ ВОСПРОИЗВОДСТВА И РАЗВИТИЯ ЖИВЫХ СИСТЕМ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ГЕНЕТИКИ
Принцип комплементарности, комплементарные пары азотистых оснований; процессы редупликации, транскрипции, трансляции. Наследственные механизмы и природа ДНК и РНК. Ген и его свойства. Генетический код, его свойства.
Нуклеиновые кислоты
Нуклеиновые кислоты – природные высокомолекулярные органические соединения, обеспечивающие хранение и передачу наследственной (генетической) информации в живых организмах.
В природе существуют нуклеиновые кислоты двух типов, различающиеся по составу, строению и функциям. Одна из них содержит угле водный компонент дезоксирибозу и названа дезоксирибонуклеиновой кислотой (ДНК).
Другая содержит рибозу и названа рибонуклеиновой кислотой (РНК).
ДНК – представляет собой двухцепочечный биологический полимер, мономерами которого являются нуклеотиды, содержащие одно из азотистых оснований, дезоксирибозу и остаток фосфорной кислоты. Полинуклеотидные цепи молекулы ДНК антипараллельны и соединены друг с другом водородными связями по принципу комплиментарности. Двойная спираль, открытая в 1953г. Уотсоном и Криком, содержит шаг размером 3,4 нм, включающем 10 пар комплементарно связанных оснований.
ДНК состоит из Нуклеотидов: пуриновых оснований аденина (А) и гуанина (Г) и пиримидиновых оснований цитозина (Ц) и тимина (Т). РНК состоит изтех же оснований с различием лишь в то, что у РНК вместо тимина присутствует урацил (У). Тимин отличается от урацила наличием метильной группы (-СН3), которой нет в урациле.
Нуклеотид – вещество, состоящее из азотистого основания, сахара и остатка фосфорной кислоты.
Пуриновые основания
| 
|
| Пиримидиновые основания 
| 
|
Э. Чаргафф обнаружил, что количество пуринового основания аденина (А) равно количеству пиримидинового основания тимина (Т), т.е. А = Т. Сходным образом количество второго пурина – гуанина (Г) всегда равно количеству второго пиримидина—цитозина (Ц), т.е. Г = Ц. Таким образом, число пуриновых оснований в ДНК всегда равно числу пиримидиновых, количество аденина равно количеству тимина, а гуанина – количеству цитозина. Такая закономерность получила название правил Чаргаффа.
Картина полностью прояснилась в 1953 г., когда американский биохимик Дж. Уотсон и английский физик Ф. К р и к, исследуя структуру молекулы ДНК, пришли к выводу, что сахарофосфатный остов находится на периферии молекулы ДНК, а пуриновые и пиримидиновые основания – в середине. Причем последние ориентированы таким образом, что между основаниями из противоположных цепей могут образоваться водородные связи. Из построенной ими модели выявилось, что какой-либо пурин в одной цепи всегда связан водородными связями с одним из пиримидинов в другой цепи. Такие пары имеют одинаковый размер по всей длине молекулы. Не менее важно то, что аденин может спариваться лишь с тимином, а гуанин только с цитозином. При этом между аденином и тимином образуются две водородные связи, а между гуанином и цитозином три. Противоположные последовательности и соответствующие полинуклеотидные партнеры называются комплементарными. Хотя водородные связи, стабилизирующие пары оснований, относительно слабы, каждая молекула ДНК содержит так много пар, что в физиологических условиях (температура, рН) комплементарные цепи никогда самостоятельно не разделяются.
Комплемента́рность (в химии, молекулярной биологии игенетике) – взаимное соответствие молекул биополимеров или их фрагментов, обеспечивающее образование связей между пространственно взаимодополняющими (комплементарными) фрагментами молекул или их структурных фрагментов вследствие супрамолекулярных взаимодействий (образование водородных связей, гидрофобных взаимодействий, электростатических взаимодействий заряженных функциональных групп и т. п.).
Взаимодействие комплементарных фрагментов или биополимеров не сопровождается образованием ковалентной химической связи между комплементарными фрагментами, однако из-за пространственного взаимного соответствия комплементарных фрагментов приводит к образованию множества относительно слабых связей (водородных и ван-дер-ваальса) с достаточно большой суммарной энергией, что приводит к образованию устойчивых молекулярных комплексов.
Вместе с тем следует отметить, что механизм каталитичекой активности ферментов определяется комплементарностью фермента и переходного состояния либо промежуточного продукта катализируемой реакции – и в этом случае может происходить обратимое образование химической связи.
В случае нуклеиновых кислот – как олиго- так и полинуклеотидов, азотистые основания нуклеотидов способны вследствие образования водородных связей формировать парные комплексы аденин-тимин (или урацил в РНК) и гуанин-цитозин при взаимодействии цепей нуклеиновых кислот. Такое взаимодействие играет ключевую роль в ряде фундаментальных процессов хранения и передачи генетической информации: репликации ДНК, обеспечивающей передачу генетической информации при делении клетки, транскрипции ДНК в РНК при синтезебелков, кодируемых ДНК гена, хранении генетической информации в двухцепочечной ДНК и процессах репарации ДНК при её повреждении.
Принцип комплементарности используется в синтезе ДНК. Это строгое соответствие соединения азотистых оснований, соединёнными водородными связями, в котором: А-Т (Аденин соединяется с Тимином) Г-Ц (Гуанин соединяется с Цитозином).
Функция у ДНК одна – хранение генетической информации
РНК – также полимер, мономерами которой являются нуклеотиды. РНК представляет собой однонитевую молекулу. Она построена таким же образом, как и одна из цепей ДНК. Нуклеотиды РНК очень близки, хотя и не тождественны, нуклеотидам ДНК. Их тоже четыре и они состоят из азостистого основания, пентозы и фосфорной кислоты. Три азотистых основания совершенно такие же, как в ДНК: – Аденин, Гуанин и Цитозин. Однако вместо Тимина у ДНК, в РНК присутствует близкий к нему по строению пиримидин – урацил. Различие между ДНК и РНК существует также в характере углевода: в нуклеотидах ДНК углевод – дезоксирибоза, у РНК – рибоза.
В отличие от ДНК, содержание которой в клетках конкретных организмов относительно постоянно, содержание РНК сильно в них колеблется. Оно заметно повышено в клетках, в которых происходит синтез белка.
По выполнению функций выделяют несколько видов РНК.
Транспортная РНК(т-РНК). Молекулы т-РНК самые короткие: они состоят всего из 80—100 нуклео-тидов. Молекулярная масса таких частиц равна 25—30 тыс. Транспортная РНК в основном содержится в цитоплазме клетки. Функция состоит в переносе аминокислот в рибосомы, к месту синтеза белка. Из общего содержания РНК клетки на долю т-РНК приходится около 10%.
Рибосомная РНК (р-РНК). Это самые крупные РНК в их молекулы входит 3—5 тыс. нуклеотидов, соответственно их молекулярная масса достигает 1,0—1, 5 млн. Рибосомная РНК составляет существенную часть структуры рибосомы. Из общего содержания РНК в клетке на долю р-РНК приходится около 90%.
Информационная РНК (и-РНК), или матричная (м-РНК). Содержится в ядре и цитоплазме. Функция ее состоит в переносе информации о структуре белка от ДНК к месту синтеза белка в рибосомах. На долю и-РНК приходится примерно 0,5—1% от общего содержания РНК клетки.
Все виды РНК синтезируются на ДНК, которая служит своего рода матрицей.
АТФ – аденозинтрифосфорная кислота. Аденозинмонофосфорная кислота (АМФ) входит в состав всех РНК; при присоединении еще двух молекул фосфорной кислоты (НзРО4) она превращается