Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция 1.
Спецкурс называется «Молекулярные основы жизни». Такое название должно вызывать очень много вопросов. Что оно значит? Что включает в себя это название? К какой науке это относится? Однозначно на этот вопрос не ответишь. Изначально наукой о жизни была биология. Сначала она была чисто описательной наукой и существовала на уровне чистого «собирания марок» по выражению Резерфорда, то есть изучала и систематизировала живые объекты на уровне организмов. Человечество силилось и не могло понять, почему живое является живым, как оно работает и почему живое. Всё списывалось на Божественное происхождение, и вдаваться в суть этого, было, как бы не принято. Это было изучением на «уровне организмов», зоология и ботаника. Потом появился «уровень органов», ибо разделывать туши животных и разрезать растения религия не запрещала. Позднее стало возможно изучение работы отдельных органов и тканей, из которых они состояли. Так появились физиология и гистология. Стали копать дальше, с развитием микроскопии, спустились до клеточного уровня. Открыли одноклеточные организмы. Пришили к фундаментальному выводу, что элементарная единица живого – клетка. Как она устроена? Это вопрос к представителям новой науки – цитологии и ее современному продолжению – клеточной биологии. С развитием электронной микроскопии очень подробно были исследованы составные части клеток, «органеллы», однако понимания того, почему клетка живая и что это значит, это не добавило. Надо копать глубже. Куда глубже? Из чего состоят органеллы. Выясняется, что выделить в них составные части не удается, потому что они состоят, как любое вещество из молекул, точнее из макромолекул, объединенных в надмолекулярные комплексы. И тут мы спускаемся на «молекулярный уровень», т.е. до химии.
Что, биология на этом заканчивается? Нет, начинается новая биология, или современная биология, т.е. наука молекулярная биология.
Если копнуть еще глубже, в глубь химии, мы дойдем до строения молекул, т.е. уровня атомов, потом строения атома, до элементарных частиц. Но это уже физика, даже не химия. Но атомы, из которых построена живая материя, а именно, в основном Н, С, N, О, S и некоторые металлы, входят и в состав неорганических соединений, а принципы и физические законы, лежащие в основе строения «живых» молекул ничем не отличаются от «неживых» (поэтому живых молекул не бывает). То есть на физическом уровне, живое устроено так же, как и не живое и подчиняется тем же физическим законам. Из вышесказанного можно сделать два вывода. Во-первых, субмолекулярный и атомный уровни организации можно не рассматривать, и мы этого делать не будем, это задача квантовой химии. Во-вторых, остается непонятным, где граница между живым и неживым, на каком уровне кончается неживое и начинается живое. Ведь все молекулы, из которых состоят живые организмы, подчиняются общим хорошо известным законам химии, верным и в «неживом» мире.
Где граница между биологией, молекулярной биологией и химией, т.е. биохимией?
Молекулы в живых системах взаимодействуют друг с другом на основе набора принципов, которые мы будем называть «молекулярная логика живого». Эти принципы не включают в себя никаких новых или еще не открытых физических законов или сил. Это набор правил, описывающих природу, функцию и взаимодействия между молекулами. Если живой организм состоит из неживых молекул, то каким образом живой организм оказывается более чем суммой неживых элементов? Ответ на этот вопрос и ищет биохимия, пытаясь постичь «молекулярную логику живого». А что тогда делает молекулярная биология? Они очень тесно связаны между собой, и молекулярная биология (т.е. как бы химическая биология) выросла из биохимии, занимается в глобальном понимании тем же самым. Например, биохимия рассматривает химические реакции органических кислот, сахаров, липидов, жиров, азотистых оснований и т.д. Молекулярные биологи занимаются всем тем, что связано с процессами передачи и хранения генетической информации, исследуют функции белков, нуклеиновых кислот (ДНК, РНК). В конце любого учебника биохимии вы найдете основы молекулярной биологии.
Если мысленно разобрать живой организм на отдельные молекулы, то возникает законный вопрос, как можно описать всё это колоссальное химическое многообразие и какой же толщины должны быть учебники по биохимии? Всё не так ужасно. Многолетние биохимические исследования показали, что на микроскопическом и химическом уровне живые организмы поразительно похожи друг на друга. Биохимия ищет и описывает на молекулярном уровне те структуры, механизмы и химические процессы, которые являются общими во всех организмах, для того чтобы выявить фундаментальные принципы существования жизни во всех ее многообразных формах. Несмотря на то, что фундаментальное единство форм жизни существует, очень важно признать, что очень немногие обобщения, касающиеся живых организмов, применимы ко всем организмам во всех условиях. Многообразие внешних условий приводит к возникновению широкого спектра биохимических адаптаций. Однако эти адаптации не выходят за рамки фундаментальной химической системы, общей для всех земных организмов. И хотя эти обобщения не совершенны, они очень полезны.
А может ли здесь быть полезна наша с вами физика полимеров? Дело в том, что важной частью структуры живых организмов являются высокомолекулярные соединения, т.е. полимеры. Все они при этом состоят из нескольких довольно простых соединений, весом менее 500, таких как аминокислоты, сахара, нуклеотиды. Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК) состоят из всего 4 видов дезоксирибонуклеотидов. К ним близки по строению рибонуклеиновые кислоты (РНК), состоящие из 4 видов рибонуклеотидов. Разные ДНК отличаются друг от друга последовательностью нуклеотидов. Второй тип биополимерных соединений – это белки, состоящие из 20 видов аминокислот. Они идентичны во всех организмах. Третий вид, полисахариды, состоят из сахаров, тоже очень похожи в различных организмах. Почти все мономерные звенья имеют более чем одну функцию.
Подведем итог:
1. Все живые организмы содержат одинаковые мономерные звенья.
2. Структура биологических макромолекул построена по соответствующим образцам.
3. Идентичность каждого отдельного организма сохраняется благодаря наличию определенного набора белков и нуклеиновых кислот.
Все виды мономерных звеньев, выделенные из живых организмов, можно затем рассматривать как неживые органические соединения.
А в чём же, спросите вы, тогда различие между живым и неживым, можно ли как-то сформулировать это различие, формализовать его?
Давайте попробуем перечислить отличительные черты живой материи.
1. Структурная сложность и высокая, многоуровневая организация. Многоуровневость строения живой материи мы уже продемонстрировали в начале лекции. Еще раз перечислим уровни организации. Организм, орган, ткань, клетка, макромолекулярные комплексы, макромолекулы, низкомолекулярные соединения, атомы.
Сюда же стоит отнести колоссальную сложность химического строения. Живые системы состоят из огромного разнообразия молекул, тогда как неживые природные объекты, камни, глина и т.д. обычно состоят из относительно простых химических соединений.
2. Живые организмы извлекают, преобразуют и используют энергию, получая ее из окружающей среды: из питательных веществ или энергии Солнца. Она позволяет им создавать и поддерживать собственную высокоорганизованную структуру, совершать механическую, химическую, осмотическую и другие виды работ. Неживые объекты, напротив, не используют эту энергию впрямую и не совершают работу. Они имеют тенденцию к распаду, к переходу в более разупорядоченное состояние, к равновесию с окружающей средой.
3. Самое характерное свойство живых организмов – это способность к самовоспроизведению и самоорганизации. Именно это свойство можно считать квинтэссенцией понятия «живое». Так одна единственная бактериальная клетка, помещенная в стерильную питательную среду, может за 24 часа сделать миллиард своих дочерних копий. Каждая клетка содержит тысячи различных молекул, некоторые из них исключительно сложного строения, однако каждая бактерия будет надежной копией материнской клетки, построенная на основе информации, заложенной в ней. Смеси неорганических веществ не обнаруживают тенденции к росту и самовоспроизведению в той же форме, размере, массе и т.д.
Способность к самовоспроизведению не имеет точного аналога в неживой природе. Единственный поучительный аналог – это рост кристаллов в насыщенных растворах. В результате кристаллизации возникает материал, идентичный по составу и структуре решетки «зародышу». Но кристаллы гораздо проще по своему строению, чем простейшие живые организмы, а их структура статична, а не динамична, как у живых клеток.
Каждый компонент живого организма имеет свою определенную функцию. Это относится не только к макроскопическим структурам, как то листья, легкие, но и к микроскопическим внутриклеточным структурам, хлоропластам или ядру. Даже отдельные химические соединения в клетках имеют специальные функции. Набор молекул осуществляет программу, конечным результатом которой является воспроизведение программы и само-увековечеине этого набора молекул.
Остановимся подробнее на некоторых аспектах живого.
Одна из центральных тем в биохимии это энергия, ведь клетки и организмы зависят от внешних источников энергии. Любой живой организм – открытая неравновесная термодинамическая система, в которой существуют потоки энергии и вещества. Эта система далека от равновесия, равновесие с окружающей средой означает ни что иное, как смерть. Придя в равновесие с окружающей средой, живое перестает быть живым. Живая система с точки зрения термодинамики находится в стационарном неравновесном состоянии. Хотя химический состав организма почти не меняется, это не означает химической инертности, это динамическое стационарное состояние. Одни молекулы расщепляются, другие такие же вновь синтезируются, непрерывно происходят бесчисленные химические реакции, в системе присутствуют потоки массы и энергии. Чтобы оставаться живыми и воспроизводить себя, клетки должны постоянно совершать работу. В закрытой системе все химические реакции протекают так, чтобы дельта G была отрицательна, т.е. в сторону равновесия. Если все составляющие находятся в равновесии, дальнейшие превращения не происходят, пока извне не появится энергия или вещество. Реакции, в которых продукты обладают большей свободной энергией, дельта G больше 0. Как может идти такая реакция? В замкнутой системе – никак. Но в открытой системе энергия, выделяющаяся в результате одного процесса (химической реакции), может быть направлена на другие процессы, требующие энергии. Как осуществить такую передачу? Преобразователи энергии в биологии сильно отличаются от большинства макроскопических машин, работающих на изменении температуры и давления. В организме температура и давление должны оставаться примерно постоянными, поэтому поток тепла – неподходящий источник энергии. Поэтому в биологии единственный способ передать энергию от одного процесса к другому – это сделать это за счёт сопряжения реакции, идущей с выделением свободной энергии, с реакцией, идущей с поглощением. Как можно передать энергию от одной реакции к другой при постоянной температуре? Через общий промежуточный продукт. Наличие общего промежуточного продукта – это центральный принцип всей биоэнергетики: продукт первой реакции является реактантом второй.
Итак:
1. Законы сохранения энергии обязательны в биологии, энергия может переходить из одной формы в другую.
2. Живые организмы создают и поддерживают свою сложную упорядоченную структуру за счёт свободной энергии, извлекаемой из окружающей среды.
3. Живые клетки – химические машины, работающие при постоянной температуре.
4. Экзергонические реакции сопрягаются с эндергоническими за счёт общего промежуточного продукта.
Информация в ДНК закодирована в виде линейной (одномерной) последовательности, но воспроизведение этой информации приводит к образованию трехмерных структур. Это осуществляется в два этапа: сначала по заданной последовательности синтезируются белки, т.е. линейная последовательность аминокислот, потом белок сворачивается в четко определенную трехмерную структуру, продиктованную его аминокислотной последовательностью. Трехмерная структура каждого белка уникальна. Она стабилизируется нековалентными (слабыми) взаимодействиями, включающими водородные связи, ионные взаимодействия между заряженными группами, силы Ван-дер-Ваальса и гидрофобные взаимодействия между незаряженными группами. По отдельности каждая связь слабая, но вместе они сильные. Большое количество отдельных связей обеспечивает стабильность структуры. Маловероятно чтобы все связи порвались одновременно. На следующем этапе белки благодаря нековалентным взаимодействиям могут объединяться в надмолекулярные комплексы.
Сохранение и воспроизведение себя. Способность к очень точному самовоспроизведению в ряду бесчисленных поколений – выдающееся свойство живого. Очень немногие памятники цивилизации, древние записи даже выгравированные на камне или меди дошли до наших дней, просуществовав 1000и лет. В то же время генетическая информация, текст, записанный в геноме живых организмов, остались неизменными в течение гораздо более долгого времени – некоторые бактерии сейчас такие же, как и миллиард лет назад. Выходит, запись информации в живых системах гораздо надежнее, чем на самом твердом камне. Почему? Потому что она всё время обновляется, перезаписывается.
Подводя итог, перечислим общие принципы молекулярной логики живого.
1. Живая клетка – это самоорганизующаяся, самоподстраивающаяся, самовоспроизводящаяся изотермическая система молекул, извлекающая свободную энергию и ресурсы из окружающей среды.
2. Клетка осуществляет множество последовательных реакций, ускоряемых специфическими катализаторами, называемыми ферментами, которые она сама же и производит.
3. Клетка поддерживает себя в динамическом стационарном состоянии, далеком от равновесия с окружающей средой.
4. Самовоспроизведение в ряду многих поколений обеспечивается саморепарацией в линейной системе, кодирующей информацию. Генетическая информация, закодированная в виде последовательности нуклеотидов в ДНК, определяет последовательность аминокислот в каждом отдельно взятом белке, что в итоге определяет его трехмерную структуру и функцию.
5. Множество слабых (нековалентных) взаимодействий, действуя кооперативно, стабилизируют трехмерные структуры биомолекул и надмолекулярных комплексов.