Главная Обратная связь

Дисциплины:






Молекулярные механизмы самосохранения биосистем. Генный код. Биосинтез белков.



 

На любом из уровней организации анализ биосистем в той или иной мере подразумевает учет следующих аспектов проблемы.

Структура системы. Структура характеризуется набором элементов, составляющих систему, и совокупностью их связей. Па разных уровнях для описания структуры используются свои специфические понятия, которые часто неясны для специалистов «других уровней» и поэтому требуют специального пояснения.

Функция системы — функционирование, активность системы, жизнедеятельность — выполнение специфических для этой системы процессов. Для биосистем функция - те процессы, которые необходимы для поддержания «собственной жизни» и для функционирования систем более высокого уровня, в которые система входит в качестве элемента. Так, говорят о функции клеток, органов, систем и их необходимости для поддержания жизнедеятельности целостного организма.

Выполнение функции связано с расходом энергии, преобразованием и использованием сложных химических веществ — биополимеров (метаболизм) и с организацией потоков энергии и вещества в процессе обмена веществ. Управление процессами метаболизма и потоками энергии осуществляются специфическими для этого уровня механизмами управления (регуляции, ауторегуляции). Управление осуществляется за счет потоков информации, которую система получает, перерабатывает и использует с помощью специальных (и особенных на каждом уровне) структурных и функциональных элементов.

Выявление специфики и общих для всех уровней организации систем свойств процессов управления представляет особенный интерес.

Цель системы. Механизмы управления на каждом уровне функционируют так, что обеспечивается сохранение структуры системы и протекающих в пой процессов (функции). Поэтому можно сказать, что иерархически высшей целью биосистемы является самосохранение, т. е. сохранение жизни. Это положение, однако) абсолютом не является и может быть уточнено для каждого из уровней организации. Жизненные процессы «внутри» систем протекают в их внутренней среде. Клетки живого организма живут в межклеточной жидкости, физические условия и химический состав которой весьма стабильны.

Жизненные процессы на более низких уровнях протекают в клеточной жидкости. Внутренняя среда в надорганизменных системах включает и техногенные условия «среды обитания».Гомеостаз. Тот факт, что при выполнении всего спектра жизненных функций системы в широком диапазоне внешних условий внутренняя среда во многих случаях остается практически неизменной, стал основой концепции гомеостаза.

В организации живой природы мы имеем дело с пирамидой гомеостатических биосистем, сложным образом взаимодействующих между собой. Гомеостаз каждого уровня дает свой вклад в поддержание жизни на этом уровне и тем самым формирует следующий уровень организации жизни со своими собственными, уже более мощными гомеостатическими механизмами. В ответ он получает целесообразное изменение условий жизни — стабильность окружающих условий, улучшающую его собственный гомеостатический ресурс.



В основании этой пирамиды находится живая клетка. Жизненные процессы в клетке — это совокупность биофизических и биохимических процессов перемещения веществ и их химического преобразования — синтеза и сборки биополимерных молекул.

Идеи гомеостатического регулирования на этом уровне организации жизни имеют довольно узкую сферу применений. Свободноживущие клетки и одноклеточные организмы имеют достаточно мощные регуляторные механизмы для управления протеканием жизненных процессов и для сохранения структур, осуществляющих эти процессы. Изучение этих проблем и составляет ядро регуляционных концепций биохимии и цитологии.

Что касается постоянства внутриклеточной среды, то оно изучено довольно слабо. Можно говорить о постоянстве набора химических веществ, составляющих внутреннюю среду клетки и ее структур, но трудно говорить о постоянстве концентраций каких-либо молекул в ней. Эти концентрации, как и внутриклеточные физические параметры (температура, давление), как правило, в клетке не регулируются.

Поэтому термин «гомеостаз» применительно к нижним этажам жизненных явлений применяется прежде всего специалистами по другим уровням биосистем. И применяется, как правило, в расширительном его толковании — для описания факта постоянства структурных свойств биосистем.

Постоянства внутренней среды в клетке трудно ожидать хотя бы потому, что все транспортные процессы в ней, и многие — на ее границах, осуществляются пассивно. А при пассивном управлении (например, при переносе веществ путем диффузии) сами внутриклеточные концентрации оказываются в роли регуляторов жизненных процессов (точнее — регуляторами скоростей их протекания). Тем самым изменение внутренней среды оказывается необходимым для поддержания жизненных процессов в условиях меняющейся внешней среды. Именно нехватка каких-либо веществ в клетке ускоряет соответствующие «транспортные и производственные конвейеры».

В итоге жизнь клетки может быть обеспечена внутриклеточными механизмами только в очень узком (по сравнению с более высокими уровнями организации) диапазоне — в жидкостной среде, содержащей в достатке питательные вещества и кислород при нужных температурах и рН.

Генетический код и механизм синтеза белка
Генетический код — это определенные сочетания нуклеотидов и последовательность их расположения в молекуле ДНК. Это свойственный всем живым организмам способ кодирования аминокислотной последовательности белков при помощи последовательности нуклеотидов.
В ДНК используется четыре нуклеотида — аденин (А), гуанин (G), цитозин (С), тимин (T), которые в русскоязычной литературе обозначаются буквами А, Г, Ц и Т. Эти буквы составляют алфавит генетического кода. В РНК используются те же нуклеотиды, за исключением тимина, который заменён похожим нуклеотидом — урацилом, который обозначается буквой U (У в русскоязычной литературе). В молекулах ДНК и РНК нуклеотиды выстраиваются в цепочки и, таким образом, получаются последовательности генетических букв.

Для построения белков в природе используется 20 различных аминокислот. Каждый белок представляет собой цепочку или несколько цепочек аминокислот в строго определённой последовательности. Эта последовательность определяет строение белка, а следовательно все его биологические свойства. Набор аминокиcлот также универсален для почти всех живых организмов.

Реализация генетической информации в живых клетках (то есть синтез белка, кодируемого геном) осуществляется при помощи двух матричных процессов: транскрипции (то есть синтеза иРНК на матрице ДНК) и трансляции генетического кода в аминокислотную последовательность (синтез полипептидной цепи на матрице иРНК). Для кодирования 20 аминокислот, а также сигнала «стоп», означающего конец белковой последовательности, достаточно трёх последовательных нуклеотидов. Набор из трёх нуклеотидов называется триплетом. Принятые сокращения, соответствующие аминокислотам и кодонам.

Митоз

митоз. Деление, являющееся основным для эукариот. Биологический смысл митоза в том, что дочерняя клетка получает материнский набор хромосом (генов) без изменения. При проходящем во время митоза строгом распределении редуплицированных хромосом в дочерние клетки происходит образование идентичных клеток. Это позволяет сохранить генетическую преемственность в ряду поколе-ний. В живых системах он обеспечивает рост, регенерацию и вегетативное размножение с сохранением генотипа. У растений митозы идут в образовательных тканях (меристемах), у кишечнополостных в особых клетках (вставочные). У более высокоразвитых животных он обычен во всех тканях, но идет с разной скоростью и частотой. У человека в красном костном мозгу в минуту происходит 10-15 млн митозов, что ведет к образованию такого же количества эритроцитов. Часты митозы и в эпителиальных тканях и во время регенерации. Реже всего они идут в нервных клетках. Если во время развития человеческого эмбриона митоз длится примерно 30 минут с интерфазой такой же продолжительности, то с возрастом частота и скорость митозов заметно падает. В регуляции этих процессов играют роль определенные гормоны тела, а также активация ряда генов и синтез специфичных РНК и белка.

Мутации,возникшие во время митозов у размножающихся половым путем организмов не наследуются и носят название соматических (родимые пятна и др. новообразования, седая прядь

волос, потеря пигментации кожи). Иногда соматические мутации растении культивируются в декоративных целях (мозаич-ность листьев крапивок).

Состояние клетки, когда не заметны видимые изменения, называют интерфазой. Этим терми-ном отмечают часть клеточного цикла между двумя митозами или в клетках, утративших способность к делению (например, нейроны), - период от последнего митоза до отмирания клетки. К интерфазе относят и временной выход клетки из цикла - состояние покоя. Во время частых делений клетки в интерфазе происходят многочисленные процессы синтеза нуклеиновых кислот, ферментов и энергоемких соединений ,обеспечивающих деление клетки и ее дифференцировку, и выполнение специ-альных тканевых функций. На интерфазу иногда приходится до 90% времени клеточного цикла. Характерным признаком интерфазы в клетках является деспирализированное состояние хроматина. Интерфазу делят на три периода:

1) пресинтетический (G-1), когда идет синтез РНК, белка и рост клетки; 2) синтетический (S-1), когда образуется ДНК путем репликации ее молекул и вторая хроматида у хромосом. Она возникает на базе новой молекулы ДНК; 3) постсинтетический (G-2), когда синтезируется белок и клетка подготавливается к делению. В это время возникают «белки деления», из которых будет строиться нить веретена деления. В клетке накапливается достаточно органелл, которые будут делиться, и достаточно АТФ для обеспечения всех процессов митоза энергией. Клетки перед началом деления имеют диплоидный набор двухроматиновых хромосом (2п4с).

Собственно митоз подразделяется на четыре фазы. Профаза. У человеческого эмбриона, когда весь процесс митоза длится 30 минут, на нее приходится около 20 минут времени. Из всего

многообразия происходящих в это время процессов можно выделить следующие: а) ядерная мембрана распадается на фрагменты и содержимое ядра смешивается с цитоплазмой. Ядрышки распадаются; б) клеточный центр делится на две центриоли, расходящиеся к противоположным полюсам, и образуется веретено деления. У высших растений и неко-торых простейших веретено образуется без центриолей. У водорослей, низших грибов и некоторых простейших веретено формируется внутри ядра (закрытый митоз);

в) содержимое ядра разделяется на интенсивно окрашиваемые индикаторами элементы (ДНК) и неокрашиваемые. Окрашиваемая часть состоит из беспорядочно разбросанных зернышек, затем нитей. Это ДНК в стадии конденсации. Конденсируясь (спирализуясь), хромосомная ДНК становится более компактной и одевается мембраной. На этой стадии она напоминает клубок спутанных нитей и уже заметно удвоение. Конденсируясь далее, хромосомы приобретают компактный вид и хорошо различимы в световой микроскоп. К концу профазы каждая хромосома состоит из двух продольных копий хроматид, которые об-разовались в ходе репликации, и скреплены центромерой.

Метафаза длится 1-2 мин. Завершается формирование веретена деления. Хромосомы перестают двигаться и выстраиваются по экватору веретена деления, образуя экваториальную пластинку. При этом они присоединены центромерами к нитям веретена и к каждой хромосоме под-

ходят две нити, идущие от двух полюсов. Синтез белка снижается на 20-30% по сравнению с интерфазой. На этой стадии клетка наиболее чувствительна к факторам внешней среды (температуре, ультрафиолетовому и жесткому излучению, а также к химическим соединениям - мутагенам), которые разрушают веретено деления и ведут к прекращению деления клетки.

Анафаза (1 мин) - самая короткая фаза, где центромеры делятся, а однохроматиновые хромосомы (материнская с дочерней) расходятся по веретену деления к полюсам клетки.

Телофаза (у нашего объекта длится около 10 мин) - фаза окончания деления. В это время одновременно происходит следующее: а) восстанавливается ядерная мембрана;

б) формируется ядрышко; идет деспирализация хромосом, в результате чего они вытягиваются, приобретают вид клубка спутанных нитей, а затем перестают индиви-дуально окрашиваться, переходя в активное состояние;

в) на экваторе клетки закладывается перегородка у растений или перетяжка у животных;

г) растворяются нити веретена деления.

В результате митоза из одной диплоидной клетки с двухроматиновыми хромосомами и удвоенным количеством ДНК (2п4с) образу-ются две дочерние диплоидные клетки с однохроматиновыми хромосомами и одинарным количеством ДНК (2п2с).

Мейоз.

Деление созревания, в результате которого происходит редукция числа хромосом и дочерние клетки получают половину материнского набора хромосом. Клетка из диплоидного состояния переходит в гаплоидное. Мейоз происходит после репликации ДНК в премейотической интерфазе. Он обеспечивает случайную, независимую рекомбинацию генов и постоянство количества хромосом при по-ловом размножении. По результатам мейоз делят на несколько типов. Мейоз зиготный, или начальный, характерен для многих грибов и водорослей. Он идет в зиготе сразу после оп-лодотворения и ведет к развитию гаплоидного мицелия или таллома (слоевища водорослей), а затем спор и гамет. Гаметный мейоз, или конечный, отмечен у всех многоклеточных животных. Этот вид мейтоза происходит в половых железах (гонадах) и ведет к образованию гамет. Споровый, или промежуточный, мейоз характерен для высших растений. Он идет перед цветением и ведет к развитию гаплоидного гаметофита, в котором затем митозом образуются гаметы. У про-стейших описаны все три типа мейозов. В отличие от митозов мейотические мутации наследуются при половом размножении. Мейоз состоит из двух последовательных делений ядра, в процессе которого удвоение ДНК про-исходит только один раз. Его можно представить себе как два быстро следующих друг за другом митоза с одной интерфазой и некоторыми отличиями. Эти отличия можно свести к следующему:1)В профазе редукционного деления парные хромосомы материнской клетки подходят друг к другу, перекрещиваются, образуя мостики (хиазмы). Затем они обмениваются участками хромосом (кроссинговер), что ведет к пере- комбинации генов. Объединившиеся пары хромосом образуют четверки - тетрады. Число тетрад равно гаплоидному числу хромосом. В клетках человека на этой стадии имеется 23 тетрады и общее число хромосом равно 92. 2)Первое деление (редукционное) происходит с тетрадами, но в телофазе-1 хромосомы остаются компактными. Сразу же наступает второе деление - митотическое, в результате которого клетки получают гаплоидный набор хромосом. В профазе-1 остальные процессы происходят, как в митозе. Центриоль делится и расходится к полюсам веретена деления. Ядерная оболочка распадается на фрагменты. В метафазе происходит выстраивание тетрад (вместо пар) по экватору веретена деления. В анафазе тетрады делятся на пары и расходятся к противоположным полюсам веретена деления. В телофазе восстанавливаются ядерные мембраны, следует деление цитоплазмы и образуются перегородки (перетяжки). 3)Интерфазы нет, а начинается второе деление. В профазе-2 происходит деление центриолей, в каждой клетке образуется новое веретено и по экватору веретена выстраивается гаплоидное число двойных хромосом. Это объясняет непродолжительность телофазы-1 и профазы-2. Момент, когда двойные хромосомы выстраива-ются по экватору веретена, соответствует метафазе-2. В анафазе-2 они расходятся, а телофаза-2 сходна с митозом, но в клетках остается по одному набору хромосом. Схематически мейоз можно представить следу-ющим образом:

 

 

Анафаза-1

 

Цитологические основы з-ов Менделя: 1)Закон чистоты гамет, или распределение парных признаков. Признаки в организме существуют парами (закодированы генами, локализованными в гомологичных хромосомах), и при образовании гамет они отходят от другого признака (гена) данной пары и переходят в другую гамету. Вследствие этого в каждой гамете оказывается по одному, и только по одному признаку (гену) каждой пары. (Это достигается удвоением и двойным рас хождением гомологичных хромосом в мейозе, см. Анафаза-1 и Анафаза-2.)

2)Закон независимого расщепления непарных признаков. Непарные признаки (если они закодированы генами негомологичных хромосом) при образовании гамет расходятся независимо друг от друга и перекомбинируются в возникающих хромосомах случайным образом. (Это достигается удвоением, конъюгацией и двойным расхождением хромосом в мейозе, см. Анафаза-1 и Анафаза-2.) Закон справедлив только для случаев, когда гены локализованы в негомологичных хромосомах. Если они локализованы в гомологичных хромосомах, то и расходиться будут по первому закону, вместе с хромосомами. Если исследуемые гены локализованы в одной хромосоме, то наблюда-ется сцепление признаков, так как гены не перемещаются из одной хромосомы.
42.З-ны Менделя и Моргана.

Проявление у гибридов признака только одного из родителей Мендель назвал доминированием. З-н единообразия гибридов1-го поколения -1-й з-н Менделя (з-н доминирования признаков) - при скрещивании двух гомозиготных организмов, относящихся к разным чистым линиям и отличающихся друг от друга по одной паре альтернативных проявлений признака, всё первое поколение гибридов окажется единообразным и будет нести проявление признака одного из родителей. Чистая линия — группа организмов, имеющих некоторые признаки, которые полностью передаются потомству в силу генетической однородности всех особей. В случае гена, имеющего несколько аллелей, все организмы, относящиеся к одной чистой линии, являются гомозиготными по одному и тому же аллелю данного гена. Алле́ли—различные формы одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках (локусах) гомологичных хромосом и определяющие альтернативные варианты развития одного и того же признака. В диплоидном организме может быть два одинаковых аллеля одного гена, в этом случае организм называется гомозиготным, или два разных, что приводит к гетерозиготному организму. Итак, гибриды1-го поколения всегда единообразны по дан. признаку и приобретают признак одного из родителей. Этот признак - более сильный, доминантный всегда подавлял другой, рецессивный. З-н расщепления- 2-й з-н Менделя — при скрещивании двух гетерозиготных потомков первого поколения между собой во втором поколении наблюдается расщепление в определенном числовом отношении: по фенотипу 3:1, по генотипу 1:2:1. Скрещиванием организмов двух чистых линий, различающихся по проявлениям одного изучаемого признака, за которые отвечают аллели одного гена, называется моногибридное скрещивание. Явление, при котором скрещивание гетерозиготных особей приводит к образованию потомства, часть которого несёт доминантный признак, а часть — рецессивный, называется расщеплением. Следовательно, расщепление — это распределение доминантных и рецессивных признаков среди потомства в определённом числовом соотношении. Рецессивный признак у гибридов первого поколения не исчезает, а только подавляется и проявляется во втором гибридном поколении. З-н чистоты гамет: в каждую гамету попадает только одна аллель из пары аллелей данного гена родительской особи. З-н независимого наследования- 3-й з-н Менделя — при скрещивании двух гомозиготных особей, отличающихся друг от друга по двум (и более) парам альтернативных признаков (дигибридное скрещивание), гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всех возможных сочетаниях (как и при моногибридном скрещивании). Дигибридное скрещивание - скрещивание организмов, различающихся по двум (и более) парам альтернативных признаков. Моногибридное скрещивание — скрещивание форм, отличающихся друг от друга по одной паре альтернативных признаков. Основные положения теории наследственности Менделя:1)За наследственные признаки отвечают дискретные (отдельные, не смешивающиеся) наследственные факторы — гены.2)каждый диплоидный организм содержит пару аллелей данного гена, отвечающих за данный признак; один из них получен от отца, другой — от матери.3) Наследственные факторы передаются потомкам через половые клетки. При формировании гамет в каждую из них попадает только по одному аллелю из каждой пары (гаметы «чисты» в том смысле, что не содержат второго аллеля). Условия выполнения з-ов Менделя: В соответствии с законами Менделя наследуются только моногенные признаки. Если за фенотипический признак отвечает более одного гена (а таких признаков абсолютное большинство), он имеет более сложный характер наследования. З-н Моргана: гены, находящиеся в одной хромосоме при мейозе попадают в одну гамету, т.е. наследуются сцепленно. У каждого гена в хромосоме есть строго определенное место —локус(участок хромосомы, в котором расположен ген). З-ны Моргана предусматривают, что: 1)гены находятся в хромосомах, и в пределах одной хромосомы образуют одну группу сцепления;2)гены в хромосомах расположены линейно;3)между гомологичными хромосомами в мейозе может происходить кроссинговер, частота которого пропорциональна расстоянию между генами
43





sdamzavas.net - 2019 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...