ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

3.1. Особенности организации живой материи

 

Многочисленные определения сущности жизни можно свести к двум основным. Согласно первому, жизнь определяется субстратом, носителем ее свойств – белком. Согласно второму, жизнь рассматривают как совокупность специфических физико-химических процессов.

В самом общем смысле жизнь можно определить как активное, идущее с затратой полученной извне энергии, поддержание и самопроизведение специфической структуры [4]. Специфическую химическую структуру конкретного белка отображает запись полипептида. Например, если участок полипептида записан: гли-гли-сер-…, то этой записи соответствует химическая формула:

 

О О О

|| || ||

H₂N–CH–C–NH–CH–C–NHCH–C–NH–…

| | |

Н Н СН₂ОН

 

В его построении участвовали 2 молекулы аминокислоты с эмпирическим названием «глицин»

 

O

||

Н₂NCH–C–OH

|

H

 

и одна, называемая «серином»

 

O

||

H₂N–CH–C–OH

|

CH₂OH

 

Аминокислота, «потерявшая» группу «ОН» в процессе объединения носит название: «остаток аминокислоты» и при химическом описании белка этот остаток характеризуют тремя буквами: гли (глицин), сер (серин) и т.д. Связь

 

O H

|| |

–С – N–

 

называют пептидной. Поскольку в составе большинства белков находится в среднем 300-500 остатков аминокислот, связанных 299-499 пептидными связями, соответствующие химические формулы называют полипептидами. Реальный белок как физическое тело характеризуют не только химической формулой, описывающей первичную структуру, но и определенным положением в пространстве – вторичная, третичная, четвертичная структура. Вторичная структурная организация белка – это укладка полипептидной цепи в α-спиральные участки и β-структурные образования. В живой клетке многие белки или отдельные их участки представляют собой не вытянутую нить, а спираль. В результате взаимодействия различных остатков аминокислот спирализованная молекула белка образует клубок – третичную структуру. Для каждого вида белка характерна своя форма клубка с изгибами и петлями. Третичная структура зависит от первичной структуры, т.е. от порядка расположения аминокислот в цепи. Некоторые белки, например, гемоглобин, состоят из нескольких цепей, различающихся по первичной структуре. Объединяясь вместе, они создают сложный белок, обладающий не только третичной, но и четвертичной структурой. Четвертичную структуру имеют также многие регуляторные белки.

Белки – вещества с легко изменяемой структурой. Для живого состояния характерно присутствие не любого белка (труп состоит также из белков), но лишь белка, сохраняющего свою уникальную конфигурацию, свою первичную, вторичную и третичную структуры, с присущими им природными свойствами. При гибели организма белки его утрачивают натуральную структуру, макромолекулы развертываются и белки переходят в денатурированное состояние. Для поддержания белка в природной, присущей живому состоянию форме, необходим обмен веществ. Таким образом, любой живой организм – открытая система. Организм живет, пока в него поступают энергия и материя в виде пищи из внешней среды, а отходы выделяются в окружающую среду. Белки в клетках организмов постоянно обновляются. Необходимость их постоянного обновления и лежит в основе обмена веществ. Каждый вид клеток многоклеточного организма содержит специфические белки, присущие только данному виду клеток. Все клетки в течение жизни синтезируют белки, т.к. в ходе нормальной жизнедеятельности белки постоянно денатурируются, их структура и функции нарушаются. Нарушенные молекулы белков немедленно удаляются из клетки и заменяются новыми полноценными молекулами. Благодаря этому жизнедеятельность клетки сохраняется. Порядок чередования остатков аминокислот в данной белковой молекуле обусловливает физико-химические и биологические свойства. Аминокислоты можно сравнить с буквами, составляющими написанное слово (белок) или кирпичиками разной формы, входящими в структуру строения (белка). Всего разных аминокислот (букв, кирпичиков разной формы), создающих, например, полный набор белков человека (рассказ, город) – 20. Но эти 20 могут повторяться и сочетаться в отдельном белке (слове, строении) по-разному, в итоге имеем цепочку из 300-500 различных звеньев.

Очередность аминокислотных остатков в белке определяет структура другого биополимера – нуклеиновой кислоты, называемой дезоксирибонуклеиновой кислотой: ДНК. Молекулы ДНК еще более длинные, чем молекулы белков. Таким способом любой живой организм использует молекулярный механизм обработки биологической информации. Столь громоздкие полимеры никогда не встречаются в неживых природных объектах.

Ген (наследственный фактор) – участок молекулы ДНК (у некоторых вирусов РНК), кодирующий первичную структуру полипептида, молекулы транспортной или рибосомальной РНК или взаимодействующий с регуляторным белком. Совокупность генов данной клетки или организма составляет его генотип. Все дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) каждой клетки несут информацию не только о структурных белках, определяющих свойства данной клетки, но и о всех других структурных белках иных клеток, о всех белках-ферментах и прочих, составляющих организм. Например, у человека живая клетка ткани волоса, крови, гланды, кости и все остальные содержит все гены (весь матричный код) о данном индивидуальном организме. В результате сопоставления данных исследования клеток потерянного волоса или фрагмента кожи с данными исследования клеток отобранной на анализ крови у нескольких человек, можно с высокой точностью определить того, кто понес эту потерю. Таким образом можно установить и степень родства, и причастность того или иного лица к преступлению.

Несмотря на наличие полной генетической (наследственной) информации о всем многоклеточном организме в любой из его клеток, клетки разных областей синтезируют разные белки, в итоге формируются разные ткани и органы. Транскрипция (от лат. transcriptio – переписывание) – биосинтез молекул рибонуклеиновых кислот (РНК) на соответствующих участках ДНК – первый этап реализации генетической информации в живых клетках. Не путайте с трансляцией (см. ниже).

В разных клетках транскрибируются разные участки ДНК, т.е. образуются разные информационные РНК (и-РНК), в соответствии с кодами которых далее синтезируются разные белки. Специализация клетки (клетка крови, клетка гланды, клетка мозга и др.) определяется не всеми имеющимися в ней генами, а только теми, с которых информация была прочтена и реализована в виде белков. И даже специфические для данной клетки белки не образуются в ней одновременно. В разное время в зависимости от нужд клетки в ней синтезируются разные белки.

Существует сложный механизм регуляций «включения» и «выключения» генов на разных этапах жизни клетки. Под контролем гена-регулятора синтезируется репрессор. Репрессор – регуляторный белок, подавляющий транскрипцию генов. Молекула репрессора имеет участок узнавания оператора – начала гена, а также участок узнавания эффектора. Дело в том, что репрессоры могут синтезироваться либо в активной, либо в неактивной форме. Эффекторы (обычно низкомолекулярные вещества), соединяясь с репрессором, влияют на его взаимодействие с оператором. Существуют эффекторы, называемые индукторами, лишающие репрессор способности взаимодействия с оператором и подавлять транскрипцию. Эффекторы-корепрессоры соединяются с неактивной формой репрессора, переводят его в активную форму, способную взаимодействовать с оператором. В этом случае репрессор будет подавлять транскрипцию. Основное назначение репрессора – это подавление транскрипции. Чтобы «построить» полимерную молекулу и-РНК, по коду которой в результате трансляции и будет построен тот или иной белок, в клетках синтезируется фермент: РНК-полимераза. Полимераза – катализирует образование макромолекул полимера: и-РНК из низкомолекулярных веществ. При этом РНК-полимераза движется вдоль гена (участка ДНК), подбирает по принципу комплементарности нуклеотиды и соединяет их в единую цепочку. Каждый ген, или группа генов, содержит регуляторные элементы: 1) промотор – участок начала транскрипции; 2) оператор, с которым происходит связывание репрессора; 3) терминатор – сигнальную часть прекращения транскрипции, расположенную после кодирующей области («конец»). Промотор и оператор расположены перед областью гена, кодирующей структуру и-РНК – это «начало» гена. Операторы или перекрываются с промоторами, или находятся между промотором и контролируемыми генами. Промотор представляет собой короткую последовательность (несколько десятков) нуклеотидов ДНК, с которой связывается фермент РНК-полимераза, осуществляющая транскрипцию. Оператор – участок ДНК (представлен также несколькими десятками нуклеотидов), «узнаваемый» белками-репрессорами и, тем самым, регулирующий транскрипцию гена (или группы генов). По мере движения РНК-полимераза встречает сигнал в виде определенной последовательности нуклеотидов, означающий конец транскрипции, это и есть терминатор.

Механизм «считывания» или «несчитывания» информации, т.е. «принятия решения» о транскрипции, иллюстрирует рис. 3.1.

 

Вариант А