Живой организм представляет собой открытую, саморегулирующуюся, самовоспроизводящуюся и автономно развивающуюся гетерогенную систему. Важнейшими функциональными веществами организма являются белки и нуклеиновые кислоты. Он является результатом филогенетического, эволюционного развития и сам проходит путь онтогенетического формирования – от зиготы до зрелости, старости и смерти¹.

Клетка. Элементарная часть живого. Наука, занимающаяся изучением клеток – цитология. Клетки могут существовать как самостоятельные одноклеточные живые организмы (простейшие бактерии), так и в составе многочисленных организмов, в которых имеются половые клетки, служащие для размножения и различные по строению клетки тела (соматические), выполняющие различные функции (нервные, костные, мышечные, секреторные). Размеры клеток варьируют от 0,1-0,25 мкм (бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе). У новорожденного ребенка человека содержится около 2 триллионов клеток.

Генетическая информация клетки содержится в молекуле ДНК, которая представляет собой длинную двойную спиральную молекулу, втиснутую в крохотный объем ядерной части клетки, и состоящую из соединенных попарно нуклеотидов. Звено между нуклеотидами соединяют пары азотистых оснований Уотсона-Крика, которые связываются строго заданным образом: аденин (А) – лишь с тимином (Т), а гуанин (Г) – с цитозином (Ц). Остальные нуклеотиды приходятся на долю сахаров (дезоксирибозы), связанных с фосфорной кислотой, образуя остов спирали. Естественная структура аминокислоты – одна из возможных 20 группировок.

Аминокислоты состоят из углерода (α-углерода) и связанных с ним трех групп: карбоксильная (СОО^-), представляющая собой кислоту; аминогруппа (Н₃N⁺) – основание; R-группа – боковая цепь (своя для каждой аминокислоты).

При ковалентной связи углерода карбоксильной группы аминокислоты с азотом аминогруппы другой аминокислоты выделяется молекула воды и образуется пептидная связь. Белковые молекулы состоят из большой цепи аминокислот, соединенных пептидной связью.

Молекула ДНК строит молекулы РНК (матричной – мРНК, транспортной – ТРНК и рибосомной – рРНК), которые представляют собой одинарные спиральные цепочки нуклеотидов. Нуклеотиды РНК имеют то же строение, что и ДНК, только место тимина занимает урацил (У).

Двухцепочечная спираль ДНК эукариот не может пройти сквозь отверстия в мембране ядра, а одноцепочечная и более короткая матричная РНК прокариот свободно туда проходит.

ДНК реплицирует расщеплением связей посредине с последующим восстановлением комплиментарных половин самой молекулы посредством соединения соответствующих азотистых оснований Уотсона-Крика.

РНК, переписанная с ДНК, строит белки, состоящие из длинной цепочки аминокислот. Белки обеспечивают отправления клетки. Собираемые РНК белки позволяют химическим реакциям идти при достаточно низких температурах, хотя самих реакция не затрагивает, а потому они не расходуются, выполняя роль катализаторов (ферментов). Они зачастую временно связывают сложные соединения, что позволяет им соединяться с другими сложными молекулами.

ДНК и РНК представляют собой сочетание нуклеотидов, каждый из которых состоит из фосфата, сахара (рибозы или дезоксирибозы) и азотистых оснований.

Белки представляют собой длинные цепочки аминокислот (полимеров). Единичные же молекулы, составляющие цепочки называются мономерами. Процесс сборки мономеров представляет собой полимеризацию. Одна из реакций полимеризации – конденсация, при которой два мономера связываются, вызывая «выпадение» молекул воды², образуя димер. Три связанных мономера – тример, читыре – тетрамер и т.д.

ДНК, таким образом, содержит информацию по синтезу белков, включая ферменты, а РНК собирает ферменты, часть которых ускоряет реакцию ДНК. Ферменты невозможно собрать без «чертежей» от ДНК, но ДНК не в состоянии самовоспроизводиться без ферментов.

Структура ДНК, расшифрованная Криком, Уилкинсом и Уотсоном, представляет собой двойную спираль с размерами 2 нм с расстоянием между соседними парами основной спирали 0,34 нм. Полный оборот спирали завершен через 10 пар. Длина спирали зависит от организма, которому эта спираль принадлежит. ДНК вирусов содержит несколько тысяч звеньев – бактерий – несколько миллионов, а высших организмов – миллиарды. Существует зависимость между уровнем организации ДНК и видами живых организмов (рис. 4.1.3-1).

Длина ДНК в миллиард раз больше ее толщины, что свидетельствует о том, что ДНК представляет собой очень туго свернутую спираль с чрезвычайно большой плотностью информации записанной в ее структуре. И вместе с тем ДНК в структуре ядра должна умещаться таким образом, чтобы по всей длине она была доступна для белков, которым нужно считывать гены, то есть получать информацию на архитектурный ансамбль строительства организмов. При разъединении цепей ДНК возможно присоединение новых нуклеотидов к каждой из них, тогда возле любой старой ДНК возникает новая цепь (копия, если не произойдет мутация). Такая структура ДНК очень хорошо объясняет механизм воспроизводства путем деления клетки.

Рис. 4.1.3-1. Диаграмма соотношений числа генов и количеств ДНК в клетках различных организмов

Генетическая информация записывается в ДНК определенной последовательностью оснований. Поэтому, если в одной из соматических клеток организма произошла мутация (например, с помощью различных видов радиоактивных высокоэнергетических излучений, способных вызывать разрывы в определенной последовательности оснований ДНК или с помощью химических реакций с нуклеотидами, приводящими к таким же разрывам), то изменяются не только наследственные признаки клетки, но и части организма.

Де Фриз показал, что наследуются не малые случайные изменения, влияющие на естественный отбор, а бифуркационные (взрывные, скачкообразные) изменения. Поэтому физик Э.Шредингер сравнил мутационную теорию де Фриза с квантовой теорией биологии. Тем самым подчеркнул, что на микроуровне процессы в неживой и живой составляющих материю должны подчиняться одним и тем же законам. В данном случае закону самоорганизации, обеспечивающему появление таких структур, которые бы в изменившихся условиях развивались в направлении понижения энтропии своих образований.

Исследование наследственности привело к созданию хромосомной теории, за создание которой Томасу Х. Моргану в 1933 г. была присуждена Нобелевская премия.

Оценка влияния различных условий на процесс мутации привел к созданию генной инженерии, основное направление которой заключалось во внедрении в клетку желаемой генетической информации с помощью вируса (явление трансдукции). Поскольку бактериальные клетки могут обмениваться генетическим материалом при помощи плазмид, то введение нужного гена в плазмид дает возможность перенести этот ген в бактерию. Белки, способные подавлять размножение вирусов и сохранять внедренную в клетку генетическую информацию, получили название интерферонов.

Существует три вида клеток: прокариоты, эукариоты и археи. Эукариоты и прокариоты разнятся размещением команд. Эукариоты имеют ядро, у прокариот оно отсутствует. Они также отличаются воспроизведением. Эукариоты размножаются путем деления клеток, именуемого митозом. Прокариоты размножаются простым разрывом клеток.

Археи сходны с прокариотами, поскольку у них нет ядра. Но археи обладают генами. ДНК архей содержатся в простой кольцевой молекуле, а не в нескольких скрученных молекулах, как у эукариот. Большинству архей присущ метаболизм без участия кислорода (анаэробные археи), а некоторые (экстремофилы) обитают в горячих источниках при температуре кипения воды (гипертермофилы). Другие археи живут в холодной, кислотной или соленой среде (в пресноводных озерах, под антарктическим льдом) или, например, в отработанной угольной породе.

Археи считаются самыми древними клетками, предшествующие прокариотам и эукариотам. Поэтому некоторые специалисты склонны относить археид к организмам, близко стоящим к первичным жизненным формам.

Сложившееся представление о том, что возникновение жизни обусловлено какими-то неизвестными нам, специфическими свойствами материи – абсурдно. Мир един в многообразии его свойств, структур, состояний, движений. Сочетание особенностей и многообразий движения составных частей материи заключает в себе феномен появления жизни, как следствие самоорганизации материи в пространстве-времени. Любые эксперименты, цель которых бы заключалась в претензии на синтез живого, тщетны только по одной причине, что во всех моделях и моделировании условий возникновения самоорганизующейся формы движения живой материи, исключается время, точнее не само время, а пространство-время как форма существования и развития материи. Таким образом, жизнь скорее неотъемлемое свойство материи на определённом уровне развития неживого, чем её особое состояние.

Надо признать, что основы жизни включают не только химические, но и физико-химические (Р-Т-С) условия зарождения ее предбиологических форм. Например, условия существования в ранней истории Земли силикатов, на поверхности которых получили развитие глинистые минералы. Они в совокупности и раздельно с металлами и неметаллами (железом, кальцием, магнием, фосфором, серой) выступали на определенных стадиях как катализаторы формирования преджизненных форм, а затем, при участии автокаталитических процессов, передачи сугубо структурных химических функций в предбиологические и биологические структуры. Посредством перехода фазовых состояний неорганического в органическое вещество. Органическое вещество могло однажды способствовать к скачкообразному превращению химических органических соединений в преджизненные, а затем и жизненные формы.

Все процессы, протекающие в живых организмах, являются следствием сложнейшего комплекса биохимических реакций, связанных с репликацией (процесс копирования генетической информации), трансляцией (процесс ее передачи, т.е. синтез различных белков, структура которых определяется структурой их генов), развитием и способностью к неограниченной во времени эволюции.

Совокупность всех молекул ДНК образует геном организма. Считается, что это связано с тем, что молекулы ДНК химически более устойчивы и меньше подвержены изменениям, чем молекулы РНК. Поэтому последние участвуют в процессе реализации генетической информации, так как обладают ферментативной активностью ускорения биохимических реакций. Предполагается, что молекулы ДНК стали хранилищем генетической информации в процессе эволюции, а на ранних этапах появления и развития жизни геном формировался из более подвижных и активных молекул РНК. РНК-геномы существуют в вирусах, иногда относятся к промежуточным звеньям между живыми и неживыми организмами.

Вирус – мельчайшие неклеточные образования, состоящие из ДНК или РНК и белковой оболочки (капсида). Форма вируса может быть палочкообразной, сферической или другой. Размер вирусов варьирует в пределах 15-350 нм и более. Открыты (вирусы табачной мозаики) Д.И.Ивановским в 1892 г. Вирусы – внутриклеточные паразиты: размножаясь только в живых клетках, они используют их ферментативный аппарат и переключают клетку на синтез зрелых вирусных частиц – вирионов. Распространены повсеместно. Вызывают болезни растений, животных и человека.

Резко отличаясь от других форм жизни, вирусы подобно другим организмам, способны к эволюции. Иногда вирусы выделяют в особое царство живой природы.

Вирусы используются в генетической инженерии. Бактериофаги – классический объект молекулярной биологии.

Вирион – полностью сформировавшаяся вирусная частица, состоящая из нуклеиновой кислоты и белковой оболочки. Вирионы могут иметь разнообразные формы : икосаэдрические (аденовирусы, риновирусы, вирус гриппа, герпеса, вирусы опухолевых заболеваний), нитевидные (мелкие бактериофаги), палочковидные (вирус табачной мозаики), похожие на кирпичи (вирусы оспы) и более сложные структуры.

Бактерии также могут иметь различную структуру и форму от палочки (бациллы), до шаровидных (кокки) и спиралевидных (спириллы, вибрионы, спирохеты). Реже встречаются формы звездно- и кольцеобразные. Размеры бактерий от 0,2 до 100 мкм. Свойства бактерий определяются набором присущих им генов.

Бактериофаги (фаги) не могут жить без клетки-хозяина. Представляют собой вирусы, атакующие клетки бактерий. Внедряют свои ДНК в клетку-хозяина, который и плодит данный вирус. Их независимо друг от друга открыли в 1917 г бактериологи Ф.Туорт (Великобритания) и Ф. д’Эрелль (Франция). По оценкам их количество составляет 10³⁰, что превышает биомассу Земли. Состоят почти целиком из белков и ДНК.

Рис. 4.1.3-2. Бактериофаг

Механизм воздействие вируса на клетку хорошо изучен. Вирус (или фаг) действует подобно шприцу, впрыскивая свой генетический материал в нужную клетку. Овладев ресурсами клетки, образуются новые фаги, которые по типу цепной реакции внедряются в следующие клетки и таким образом процесс охватывает все большее количество клеток. Под воздействием вируса клетка образует ферменты, которые способствуют ее разрушению, высвобождая сотни фагов. Но интерфероны встают на пути дальнейшего разрушения клетки.

В пищеварительной системе животных аминокислоты выделяются при переваривании белковых молекул и с кровотоком доставляются к клеткам организма, где используются повторно. Аминокислоты идут на сборку белков в соответствии с ансамблем, хранящимся в клеточной ДНК и претворяемым в жизнь ДНК при содействии белковых катализаторов (ферментов). То есть, большинство необходимых организму аминокислот можно собрать из имеющихся в нем аминокислот (заменимых аминокислот). Те аминокислоты, которые должны поступать с пищей относятся к незаменимым аминокислотам.

У растений и бактерий встречается до 100 аминокислот. У животных их всего 20: аланин, аринин, аспаргин, аспаргиновая кислота, цистеин, глутаминовая кислота, глутамин, глицин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, фенилаланин, пролин, серин, треонин, триптофан, тирозин, валин.

В клетках белки выполняют разные функции: транспортные, структурообразующие, защитные, двигательные, запасные и каталитические. Белки состоят из мономерных звеньев – аминокислот. В природе в составе белков встречается 21 кислота. При этом – это левовращающие L-изомеры.

Синтезируются белки в процессе трансляции с помощью рибосом, очень сложно устроенных РНК-белковых комплексов. При этом матрицей, которая определяет последовательность аминокислот в синтезируемом белке, является молекула РНК. Постройка полипептидной (белковой) цепи происходит путем образования между молекулами аминокислот пептидных связей.

В зависимости от последовательности аминокислот в составе белков образуются сложные пространственные структуры, соответствующие их клеточным функциям. В процессе репликации и трансляции в современных организмах белки принимают непосредственное участие, реализуя свою ферментативную функцию.

Общий вид воспроизводства и реализации генетической информации в большинстве живых организмов происходит в последовательной смене репликации (синтез дочерней ДНК на ДНК-матрице); транскрипции (синтез РНК на ДНК-матрице); трансляции (синтез белка на РНК-матрице).

Вполне возможно функционирование организма, не имеющего ДНК. В этом случае его геном представлен в виде РНК и процессы транскрипции и трансляции совпадают.

Строение нуклеотидов приведено на схеме рис. 2.3.2.6.

Рис. 4.1.3-3. Строение нуклеотидов

Ссылки