Молекулярный уровень жизни

Молекулярные  основы жизни.

Молекулярно-генетический уровень жизни  — это уровень функционирования биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов) и других важных органических соединений, лежащих в основе процессов жизнедеятельности организмов.

Белки и нуклеиновые кислоты являются «информационными» молекулами, так как в их строении важную роль играет последовательность мономеров, которая может быть весьма разнообразной. Полисахариды (крахмал, гликоген, целлюлоза) играют роль источника энергии и строительного материала для синтеза более крупных молекул.                                                                                                                                                                                                       Белки — это макромолекулы, представляющие собой очень длинные цепи из аминокислот — органических (карбоновых) кислот, содержащих, как правило, одну или две аминогруппы (—NH2).                                                                                                                           В растворах аминокислоты способны проявлять свойства, как кислот, так и оснований. Это делает их своеобразным буфером на пути опасных физико-химических изменений. В живых клетках и тканях встречается свыше 170 аминокислот, однако в состав белков их входит только 20. Именно последовательность аминокислот, соединенных друг с другом пептидными связями, образует первичную структуру белков. На долю белков приходится свыше 50% общей сухой массы клеток.                                                                                                                                                                    Большинство белков выполняет функцию катализаторов (ферментов). В их пространственной структуре есть активные центры в виде углублений определенной формы. В такие центры попадают молекулы, превращение которых катализируется данным белком. Кроме того, белки играют роль переносчиков; например, гемоглобин переносит кислород от легких к тканям. Мышечные сокращения и внутриклеточные движения — результат взаимодействия молекул белков, функция которых заключается в координации движения. Функцией белков-антител является защита организма от вирусов, бактерий и т.д. Активность нервной системы зависит от белков, с помощью которых собирается и хранится информация из окружающей среды. Белки, называемые гормонами, управляют ростом клеток и их активностью.

Носителем наследственной информации у всех живых организмов является молекула ДНК.                                                                                                                   ДНК - биологический полимер, состоящий из двух полинуклеотидных цепей, соединенных друг с другом.                                                                                                                     Первая функция ДНК - это хранение наследственной информации, которая заключена в последовательности нуклеотидов одной из её цепей.                                                                                                                                                                                                       Вторая функция ДНК - это передача наследственной информации из поколения в поколение.                                                                   Она осуществляется благодаря редупликации материнской молекулы и последующего распределения дочерних молекул между клетками-потомками. ДНК участвует в качестве матрицы, которая в процессе передачи генетической информации из ядра в цитоплазму к месту синтеза белка. При этом на одной из её цепей по принципу комплементарности из нуклеотидов окружающей молекулу среды синтезируется молекула информационной РНК.

Молекула ДНК представляет собой две спаренные, закрученные  в спирали нити, каждая из которых  соединяется с другой водородными  связями.

Модель строения ДНК - полностью подтвержденная экспериментально, была предложена в 1953г. Э. Криком и Дж. Уотсоном. ДНК состоит из четырех дезоксирибонуклеотидов, каждый из которых включает дезоксирибозу, остаток фосфорной кислоты РО4 и одно из четырех азотистых оснований: аденин (А), цитозин (Ц), гуанин (Г), тимин (Т).

В синтезе белков важная роль принадлежит также РНК. Синтез белка происходит в особых областях клетки — рибосомах (иногда их образно называют «фабрики белка»). Существуют по крайней мере три типа РНК: высокомолекулярная, локализующаяся в рибосомах; информационная, образующаяся в ядре клетки; транспортная.

В ядре генетический код переносится с молекул  ДНК на молекулу информационной РНК. Генетическая информация о последовательности и характере синтеза белка  переносится из ядра молекулами информационной РНК в цитоплазму к рибосомам  и там участвует в синтезе  белка. Перенос и присоединение  отдельных аминокислот к месту  синтеза осуществляются транспортной РНК. Белок, содержащий тысячи аминокислот, в живой клетке синтезируется за 5—6 мин.

РНК похожа на ДНК и тоже построена из мономерных нуклеотидов 4 типов. Только в состав РНК вместо тимидинового нуклеотида входит похожий на него - уридиловый (У) (урацил). Также в состав РНК входит сахар - рибоза. Но Равное отличие: спираль - одинарная. РНК участвуют в реализации наследственной информации, хранящейся в ДНК, через синтез белка.                                                                                                                                        Доказано, что самокопирование ДНК и реализация заключенной в ней информации происходит только при наличии ферментов, источников энергии - молекул АТФ, воды и других соединений.                                                                                                  АТФ - аденозинтрифосфорная кислота - универсальный биологический аккумулятор энергии: световая энергия Солнца и энергия, заключенная в потребляемой пище, запасается в молекулах АТФ.   

Генетический  код - свойственная живым организмам единая система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов. Каждый нуклеотид обозначается заглавной буквой, с которой начинается название азотистого основания, входящего в его состав: - А (A) аденин; - Г (G) гуанин; - Ц (C) цитозин; - Т (T) тимин (в ДНК) или У (U) урацил (в мРНК).                                                                                                                                                                                            Реализация генетического кода в клетке происходит в два этапа: транскрипцию и трансляцию. Первый из них протекает в ядре; он заключается в синтезе молекул и-РНК на соответствующих участках ДНК. При этом последовательность нуклеотидов ДНК "переписывается" в нуклеотидную последовательность РНК. Второй этап протекает в цитоплазме, на рибосомах; при этом последовательность нуклеотидов и-РНК переводится в последовательность аминокислот в белке: этот этап протекает при участии транспортной РНК (т-РНК) и соответствующих ферментов.                                                                                                                                                                             Свойства генетического кода:                                                                                                                                                                1.Триплетность — значащей единицей кода является сочетание трёх нуклеотидов (триплет, или кодон).                           2.Непрерывность — между триплетами нет знаков препинания, то есть информация считывается непрерывно.         3.Неперекрываемость — один и тот же нуклеотид не может входить одновременно в состав двух или более триплетов (не соблюдается для некоторых перекрывающихся генов вирусов, митохондрий и бактерий, которые кодируют несколько белков, считывающихся со сдвигом рамки).                                                                                                                                          4.Однозначность (специфичность) — определённый кодон соответствует только одной аминокислоте (однако, кодон UGA у Euplotes crassus кодирует две аминокислоты — цистеин и селеноцистеин).                                                                                    5.Вырожденность (избыточность) — одной и той же аминокислоте может соответствовать несколько кодонов.       6.Универсальность — генетический код работает одинаково в организмах разного уровня сложности — от вирусов до человека (на этом основаны методы генной инженерии; есть ряд исключений, показанный в таблице раздела «Вариации стандартного генетического кода» ниже).                                                                                                                             7.Помехоустойчивость — мутации замен нуклеотидов, не приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют консервативными; мутации замен нуклеотидов, приводящие к смене класса кодируемой аминокислоты, называют радикальными.