Что изучает молекулярно генетический уровень

Молекулярно-генетический уровень

В ХХ веке установили пять уровней организации жизни: молекулярно–генетический, онтогенетический, популярно–видовой, экосистемный и биосферный.Выяснения феномена жизни на каждом уровне является один из основных задач биологии.

Молекулярно–генетический уровень – это уровень организации живых систем, состоящий из белков и нуклеиновых кислот. На этом уровне элементарной единицей организма являются гены. Здесь биология изучает механизмы передачи генной информации, наследственности и изменчивости.

В живых организмах наиболее распространены шесть химических элементов-органогенов: углерод, азот, водород, кислород, фосфор и сера. С участием этих элементов, в ходе химической эволюции возникли гигантские биополимеры: углеводы, белки, липиды и нуклеиновые кислоты. Эти макромолекулы являются основой живых организмов. Мономерами этих макромолекул являются: моносахариды, аминокислоты, жирная кислота и нуклеотиды.

Белки и нуклеиновые кислоты являются «информационными» макромолекулами, т.к. их свойства зависят от последовательности соединения 20 аминокислот и 4 нуклеотидов. Углеводы и липиды играют роль резерва энергии и строительного материала. На долю белков приходится свыше 50% общей сухой массы клеток.

Генетическаяинформация организма хранится в ДНК. Она контролирует почти все биологические процессы, протекающие в организме. Белки и нуклеиновые кислоты обладают свойством молекулярной асимметрии (молекулярной хиральностью). Хиральность (греч. cheir – рука) проявляется в том, что белки вращают плоскость поляризации света влево, а нуклеиновые кислоты – вправо. Хиральность заключается в их асимметрии со своим зеркальным отражением, как у правой и левой руки, отсюда берется название.

Молекулы ДНК вместе с белками образуют вещество хромосом. Доказательство генетической роли ДНК было получено, в 1944 г., ученым О. Эйвери, в опыте на бактериях. В 1953 г., американский биохимик Джеймс Уотсон и английский биофизик Френсис Крик раскрыли структурумолекулы ДНК. Они показали, что ДНК состоит из двух нитей, закрученных в двойную спираль. ДНК содержит 10 ÷ 25 тысяч нуклеотидов, а РНК – от 4 до 6 тысяч.

В 1941 г., американские ученые Дж. Бидл и Э. Теймут установили, что синтез белков зависит от состояния генов ДНК. Ген – участок молекулыДНК, состоящий из сотни нуклеотидов. Тогда появились высказывания: один ген – один белок. Всю совокупность генов организма называют геномом. Число генов в организме человека составляет около 50 ÷ 100 тысяч, а весь геном человека содержит более 3 миллиардов нуклеотидных пар. Гены кодируют синтез белков.

В 1954г физик-теоретик Георгий Гамов расшифровал генетический код. Он установил, что для кодирования одной аминокислоты используется сочетание из трех нуклеотидов ДНК. Оно является элементарной единицей наследственности, кодирующей одну аминокислоту, и получило название кодон(триплет). В 1961 г. гипотеза Гамова была на опыте, подтверждена Криком.

Клеточный органоид рибосома «читает» информацию, содержащуюся в и-РНК, и в соответствии с ним синтезирует белок. Кодоны – триплеты состоят из трех нуклеотидов, например, АЦГ, АГЦ, ГГГ и другие. Полное число таких триплетов составляет 64. Из них три триплета являются стоп-сигналами, а 61 триплет кодирует 20 аминокислот. Белок, состоящий из 200 аминокислот, кодируется 200 кодонами, т.е. 600 нуклеотидами в и-РНК, и 600 парами нуклеотидов в ДНК. Это и есть размер одного гена. Информация в ДНК пишется, при помощи нуклеотидов,в виде: А-Ц-А-Т-Т-Г-А-Г-А-Т-∙∙∙∙∙∙. В таком тексте содержится информация, определяющая специфику каждого организма.

Генетический код универсален,т.к. одинаков для всех живых организмов. Это свидетельствует о биохимическом единстве жизни, т.е. происхождении жизни на Земле от единого предка. Генетический код уникален, т.к. он кодирует только одну аминокислоту.

В шестидесятые годы ХХ века, расшифрован механизм воспроизводства ДНК и белка в клетках. Он состоит из репликации, транскрипции и трансляции. Репликация – это удвоение молекул ДНК. Транскрипция – это перезапись информации от ДНК на и-РНК. Эта информация соответствует одному гену или группе генов, несущих информацию о структуре белка. Трансляция – это синтез белка на основе и-РНК в рибосомах.

Источник

Молекулярно-генетический уровень жизни

Вы будете перенаправлены на Автор24

Характеристика молекулярно-генетического уровня жизни

Для того, чтобы иметь четкое понимание явлений жизни необходимо знание закономерностей молекулярно-генетического уровня организации живого. Молекулярный уровень организации жизни находится на границе между живой и неживой материей, является первоосновой жизни на Земле.

Неважно, какую сторону биологической организации рассматривать, ведь в любом случае все приводит к макромолекулам органических соединений и реакциям между ними. Понимания сущности живого можно достигнуть лишь выяснив молекулярные механизмы процессов жизнедеятельности клетки.

Но при этом одно только знание свойств макромолекул и их структуры не позволяют до конца понять свойства жизни, так как жизнь возникает только в тот момент, когда все эти многочисленные молекулы находятся в клетке и взаимодействуют между собой, являясь единой системы. Процессов жизни вне клетки не существует, выделенные из макромолекулы клетки имеют физические и химические свойства, но при этом живыми не являются. Ввиду того, что биологические свойства они проявляют исключительно в живых клетках, их называют биологическими молекулами.

Гены на этом уровне организации жизни являются элементарными единицами. В ХХ веке теория наследственности получила широкое развитие. Также быстро развивались такие направления, как анализ процесса мутаций, исследование строения хромосом, вирусов и фагов, а также молекулярная биология и биохимия. это дало возможность для выявления основных черт организации элементарных генетических структур, а также явлений, связанных с ними.

Основными несущими в себе коды наследственной информации, на молекулярно-генетическом уровне являются молекулы ДНК. Они дифференцируются по длине на триплеты азотистых оснований, которые образуют гены.

Молекулярно-генетический уровень живой материи представлен многочисленными молекулами: ДНК, РНК, АТФ, белками, углеводами, липидами и т. д. Все эти сложные соединения имеют способность создавать крупные молекулярные комплексы, которые вместе выполняют определенные функции специфического характера.

Готовые работы на аналогичную тему

Крупными молекулами органических веществ являются полимеры, которые синтезируются из соединенных в определенном порядке мономеров. Полимеры являются фактически особыми системами, которые состоят из связанных между собой элементов.

Мономеры различны, но соединяясь друг с другом в одной макромолекуле, они становятся единым целым и выполняют определенные функции.

Для всех макромолекул характерен общий план строения в клетках организмов вне зависимости от того, к какому виду этот организм принадлежит. Это связано с тем, что одним из важнейших элементов во всех макромолекулах является углерод, благодаря уникальным свойствам которого происходит образование сложных молекул.

Атом углерода имеет четыре валентные связи и способен объединять в определенном порядке большое количество атомов в длинные цепи и замкнутые кольцевые структуры, которые играют роль скелета сложных органических молекул.

Специфика биологических функций определяет уникальность макромолекул:

Такое своеобразие функций биомолекул обусловлено с их физико-химическими и биохимическими свойствами.

Таким образом, особенностью молекулярно-генетического уровня жизни является единство биологический функций макромолекул и их физико-химических свойств.

Специфика молекулярно-генетического уровня жизни выражается в его структуре, процессах, организации и значении в природе.

Структурные элементы молекулярно-генетического уровня жизни

Структурные элементы молекулярно-генетического уровня – это молекулы органических соединений и молекулярные комплексы, которые находятся в тесном взаимодействии между собой. К ним относятся:

Основными процессами молекулярно-генетического уровня жизни являются следующие:

Для молекулярно-генетического уровня жизни характерна сбалансированность и упорядоченность всех реакций метаболизма, саморегуляция, а также сложность молекулярного состава, многочисленность ферментов. Все вышеперечисленное управляется генетической информацией, гены определяют программу, а процессы осуществляются ферментами, которые выступают в роли основных регуляторов при реализации генетической информации. Они обеспечивают скорость протекания процессов, их последовательность и экономичность.

Все химические вещества, которые синтезируются в клетке, формируются в результате нескольких последовательных реакций.

Значение молекулярно-генетического уровня жизни

На данном уровне происходит важнейший жизненный процесс превращения солнечной энергии в химическую.

Также на этом уровне жизни осуществляется процесс включения химических элементов Земли в различные соединения, которые принимают участие в обменных процессах живых организмов.

Основная роль молекулярно-генетического уровня жизни заключается в следующем:

Источник

Биология

Уровни организации живых систем

Каждый уровень организации характеризуется определенным строением (химическим, клеточным или организменным) и соответствующими свойствами.
Каждый следующий уровень обязательно содержит в себе все предыдущие.

Давайте разберем каждый уровень подробно.

8 уровней организации живой природы
1. Молекулярный уровень организации живой природы

Химический состав клеток: органические и неорганические вещества,

Молекулярный уровень затрагивает все биохимические процессы, которые происходят внутри любого живого организма — от одно- до многоклеточных.

На этом уровне жизни изучаются явления, связанные с изменениями (мутациями) и воспроизведением генетического материала, обменом веществ.

Науки, которые изучают живые организмы именно на этом уровне:

Молекулярная биология, молекулярная генетика

2. Клеточный уровень организации живой природы

Включает в себя предыдущий — молекулярный уровень организации.

На этом уровне уже появляется термин «клетка» как «мельчайшая неделимая биологическая система»

Обмен веществ и энергии данной клетки (разный в зависимости от того, к какому царству принадлежит организм);

Синтез специфических органических веществ; регуляция химических реакций; деление клеток; вовлечение химических элементов Земли и энергии Солнца в биосистемы

Науки, изучающие клеточный уровень организации: цитология, генетика, эмбириология

Генетика и эмбриология изучают этот уровень, но это не основной объект изучения.

3. Тканевый уровень организации:

Включает в себя 2 предыдущих уровня — молекулярный и клеточный.

Обмен веществ; раздражимость

Этот уровень можно назвать «многоклеточным» — ведь ткань представляет собой совокупность клеток со сходным строением и выполняющих одинаковые функции.

4. Органный (ударение на первый слог) уровень организации жизни

У одноклеточных органы — это органеллы — есть общие органеллы — характерные для всех эукариотических или прокариотических клеток, есть отличающиеся.

У многоклеточных организмов клетки общего строения и функций объединены в ткани, а те, соответственно, в органы, которые, в свою очередь, объединены в системы и должны слаженно взаимодействовать между собой.

Пищеварение; газообмен; транспорт веществ; движение и др.

Тканевый и органный уровни организации — изучают науки: ботаника,

зоология, анатомия, физиология, медицина

5. Организменный уровень

Включает в себя все предыдущие уровни: молекулярный, клеточный, тканевый уровни и органный.

На этом уровне идет деление Живой природы на царства — животных, растений и грибов.

Характеристики этого уровня: Обмен веществ (как на уровне организма, так и на клеточном уровне тоже )

Обмен веществ; раздражимость; размножение; онтогенез. Нервно-гуморальная регуляция процессов жизнедеятельности. Обеспечение гармоничного соответствия организма его среде обитания

Науки: анатомия, генетика, морфология, физиология

6. Популяционно-видовой уровень организации жизни

Включает молекулярный, клеточный, тканевый уровни, органный и организменный.

Если несколько организмов схожи морфологически (проще говоря, одинаково устроены), и имеют одинаковый генотип, то они образуют один вид или популяцию.

Генетическое своеобразие; взаимодействие между особями и популяциями; накопление элементарных эволюционных преобразований; выработка адаптации к меняющимся условиям среды

Основные процессы на этом уровне:
Взаимодействие организмов между собой (конкуренция или размножение)

Науки, изучающие этот уровень: популяционная генетика, эволюционистика, экология

7. Биогеоценотический уровень организации жизни

На этом уровне уже учитывается почти все:

Пищевое взаимодействие организмов между собой — пищевые цепи и сети

Биологический круговорот веществ и поток энергии, поддерживающие жизнь; подвижное равновесие между живым населением и абиотической средой; обеспечение живого населения условиями обитания и ресурсами

Наука, изучающая этот уровень — Экология

8. Биосферный уровень организации живой природы

Активное взаимодействие живого и неживого (косного) вещества планеты; биологический глобальный круговорот; активное биогеохимическое участие человека во всех процессах биосферы

Он включает в себя:
Взаимодействие как живых, так и неживых компонентов природы

Источник

Молекулярно-генетический уровень. В ХХ веке установили пять уровней организации жизни: молекулярно–генетический, онтогенетический, популярно–видовой

В ХХ веке установили пять уровней организации жизни: молекулярно–генетический, онтогенетический, популярно–видовой, экосистемный и биосферный.Выяснения феномена жизни на каждом уровне является один из основных задач биологии.

Молекулярно–генетический уровень – это уровень организации живых систем, состоящий из белков и нуклеиновых кислот. На этом уровне элементарной единицей организма являются гены. Здесь биология изучает механизмы передачи генной информации, наследственности и изменчивости.

В живых организмах наиболее распространены шесть химических элементов-органогенов: углерод, азот, водород, кислород, фосфор и сера. С участием этих элементов, в ходе химической эволюции возникли гигантские биополимеры: углеводы, белки, липиды и нуклеиновые кислоты. Эти макромолекулы являются основой живых организмов. Мономерами этих макромолекул являются: моносахариды, аминокислоты, жирная кислота и нуклеотиды.

Белки и нуклеиновые кислоты являются «информационными» макромолекулами, т.к. их свойства зависят от последовательности соединения 20 аминокислот и 4 нуклеотидов. Углеводы и липиды играют роль резерва энергии и строительного материала. На долю белков приходится свыше 50% общей сухой массы клеток.

Генетическаяинформация организма хранится в ДНК. Она контролирует почти все биологические процессы, протекающие в организме. Белки и нуклеиновые кислоты обладают свойством молекулярной асимметрии (молекулярной хиральностью). Хиральность (греч. cheir – рука) проявляется в том, что белки вращают плоскость поляризации света влево, а нуклеиновые кислоты – вправо. Хиральность заключается в их асимметрии со своим зеркальным отражением, как у правой и левой руки, отсюда берется название.

Молекулы ДНК вместе с белками образуют вещество хромосом. Доказательство генетической роли ДНК было получено, в 1944 г., ученым О. Эйвери, в опыте на бактериях. В 1953 г., американский биохимик Джеймс Уотсон и английский биофизик Френсис Крик раскрыли структурумолекулы ДНК. Они показали, что ДНК состоит из двух нитей, закрученных в двойную спираль. ДНК содержит 10 ÷ 25 тысяч нуклеотидов, а РНК – от 4 до 6 тысяч.

В 1941 г., американские ученые Дж. Бидл и Э. Теймут установили, что синтез белков зависит от состояния генов ДНК. Ген – участок молекулыДНК, состоящий из сотни нуклеотидов. Тогда появились высказывания: один ген – один белок. Всю совокупность генов организма называют геномом. Число генов в организме человека составляет около 50 ÷ 100 тысяч, а весь геном человека содержит более 3 миллиардов нуклеотидных пар. Гены кодируют синтез белков.

В 1954г физик-теоретик Георгий Гамов расшифровал генетический код. Он установил, что для кодирования одной аминокислоты используется сочетание из трех нуклеотидов ДНК. Оно является элементарной единицей наследственности, кодирующей одну аминокислоту, и получило название кодон(триплет). В 1961 г. гипотеза Гамова была на опыте, подтверждена Криком.

Клеточный органоид рибосома «читает» информацию, содержащуюся в и-РНК, и в соответствии с ним синтезирует белок. Кодоны – триплеты состоят из трех нуклеотидов, например, АЦГ, АГЦ, ГГГ и другие. Полное число таких триплетов составляет 64. Из них три триплета являются стоп-сигналами, а 61 триплет кодирует 20 аминокислот. Белок, состоящий из 200 аминокислот, кодируется 200 кодонами, т.е. 600 нуклеотидами в и-РНК, и 600 парами нуклеотидов в ДНК. Это и есть размер одного гена. Информация в ДНК пишется, при помощи нуклеотидов,в виде: А-Ц-А-Т-Т-Г-А-Г-А-Т-∙∙∙∙∙∙. В таком тексте содержится информация, определяющая специфику каждого организма.

Генетический код универсален,т.к. одинаков для всех живых организмов. Это свидетельствует о биохимическом единстве жизни, т.е. происхождении жизни на Земле от единого предка. Генетический код уникален, т.к. он кодирует только одну аминокислоту.

В шестидесятые годы ХХ века, расшифрован механизм воспроизводства ДНК и белка в клетках. Он состоит из репликации, транскрипции и трансляции. Репликация – это удвоение молекул ДНК. Транскрипция – это перезапись информации от ДНК на и-РНК. Эта информация соответствует одному гену или группе генов, несущих информацию о структуре белка. Трансляция – это синтез белка на основе и-РНК в рибосомах.

Вопросы для самоконтроля

1. Что изучает биология на молекулярно-генетическом уровне?

2. Какие шесть химических элементов являются органогены?

3. Какие гигантские биополимеры являются основой живых организмов?

4. Какие биополимеры являются «информационными» макромолекулами?

5. Какие макромолекулы обладают свойством хиральностью?

6. Из каких молекул образуется вещество хромосом?

7. Кем и в каком году, получено доказательство генетической роли ДНК?

8. Кто и в каком году, раскрыли структуру молекулы ДНК?

9. Сколько нуклеотидов содержит молекула ДНК?

10. Сколько нуклеотидов содержит молекула РНК?

11. Что такое ген и из скольких нуклеотидов он состоит?

12. Сколько тысяч генов содержит организм человека?

13. Кто и когда расшифровал генетический код?

14. Из сколько нуклеотидов состоит код (кодон или триплет)?

15. Какой клеточный органоид синтезирует белок?

16. Каким образом, рибосома синтезирует белок?

17. Почему считается, что генетический код универсален?

18. Почему считается, что генетический код уникален?

Источник

Молекулярно-генетический уровень

Молекулярно-генетический уровень жизни — это уровень функционирования биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов) и других важных органических соединений, лежащих в основе процессов жизнедеятельности организмов. На этом уровне элементарной структурной единицей является ген, а носителем наследственной информации у всех живых организмов — молекула ДНК. Реализация наследственной информации осуществляется при участии молекул РНК. В связи с тем, что с молекулярными структурами связаны процессы хранения, изменения и реализации наследственной информации, данный уровень называют молекуляр-но-генетическим.

Важнейшими задачами биологии на этом уровне являются изучение механизмов передачи генной информации, наследственности и изменчивости, исследование эволюционных процессов, происхождения и сущности жизни.

Все живые организмы имеют в своем составе простые неорганические молекулы: азот, воду, двуокись углерода. Из них в ходе химической эволюции появились простые органические соединения, ставшие, в свою очередь, строительным материалом для более крупных молекул. Так появились макромолекулы — гигантские мо-

лекулы-полимеры, построенные из множества мономеров. Существуют три типа полимеров: полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты. Мономерами для них соответственно служат моносахариды, аминокислоты и нуклеотиды.

Белкии 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).

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.

Нуклеиновые кислоты.Процессы жизнедеятельности живых организмов определяет взаимодействие двух видов макромолекул — белков и ДНК. Генетическая информация организма хранится в молекулах ДНК, которая служит носителем наследственной информации для следующего поколения и определяет биосинтез белков, контролирующих почти все биологические процессы. Поэтому нук-

1 Пептидная связь — это химическая связь —CO-NH-.

леиновым кислотам принадлежит такое же важное место в организме, как и белкам.

Как белки, так и нуклеиновые кислоты обладают одним очень важным свойством — молекулярной дисимметрией (асимметрией), или молекулярной хиральностью. Это свойство жизни было открыто в 40—50-е гг. XIX в. Л. Пастером в ходе исследования строения кристаллов веществ биологического происхождения — солей виноградной кислоты. В своих опытах Пастер обнаружил, что не только кристаллы, но и их водные растворы способны отклонять поляризованный луч света, т.е. являются оптически активными. Позже они получили название оптических изомеров. У растворов веществ небиологического происхождения данное свойство отсутствует, строение их молекул симметрично.

Сегодня идеи Пастера подтверждены, и считается доказанным, что молекулярная хиральность (от греч. cheir — рука) присуща только живой материи и является ее неотъемлемым свойством. Вещество неживого происхождения симметрично в том смысле, что молекул, поляризующих свет влево и вправо, в нем всегда поровну. А в веществе биологического происхождения всегда присутствует отклонение от этого баланса. Белки построены из аминокислот, поляризующих свет только влево (L-конфигурация). Нуклеиновые кислоты состоят из Сахаров, поляризующих свет только вправо (D-конфигурация). Таким образом, хиральность заключается в асимметрии молекул, их несовместимости со своим зеркальным отражением, как у правой и левой руки, что и дало современное название этому свойству. Интересно отметить, что если бы человек вдруг превратился в свое зеркальное отражение, то с его организмом все было бы нормально до тех пор, пока он не стал бы есть пищу растительного или животного происхождения, которую он просто не смог бы переварить.

Нуклеиновые кислоты— это сложные органические соединения, представляющие собой фосфорсодержащие биополимеры (поли-нуклеотиды).

Существует два типа нуклеиновых кислот — дезоксирибонук-леиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Свое название нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus — ядро) получили из-за того, что впервые были выделены из ядер лейкоцитов еще во второй половине XIX в. швейцарским биохимиком Ф. Мишером. Позже было обнаружено, что нуклеиновые кислоты могут находиться не только в ядре, но и в цитоплазме и ее органоидах. Молекулы ДНК вместе с белками-гистонами образуют вещество хромосом.

В середине XX в. американский биохимик Дж. Уотсон и английский биофизик Ф. Крик раскрыли структуру молекулы ДНК. Рентгеноструктурные исследования показали, что ДНК состоит из двух цепей, закрученных в двойную спираль. Роль остовов цепей играют сахарофосфатные группировки, а перемычками служат основания пуринов и пиримидинов. Каждая перемычка образована двумя основаниями, присоединенными к двум противоположным цепям, причем, если у одного основания одно кольцо, то у другого — два. Таким образом, образуются комплементарные пары: А-Т и Г-Ц. Это значит, что последовательность оснований одной цепи однозначно определяет последовательность оснований в другой, комплементарной ей цепи молекулы.

Ген — это участок молекулы ДНК или РНК (у некоторых вирусов). РНК содержит 4—6 тысяч отдельных нуклеотидов, ДНК — 10—25 тысяч. Если бы можно было вытянуть ДНК одной человеческой клетки в непрерывную нить, то ее длина составила бы 91 см.

И все же рождение молекулярной генетики произошло несколько раньше, когда американцы Дж. Бидл и Э. Тэйтум установили прямую связь между состоянием генов (ДНК) и синтезом ферментов (белков). Именно тогда появилось знаменитое высказывание: «один ген — один белок». Позже было выяснено, что основной функцией генов является кодирование синтеза белка. После этого ученые сконцентрировали свое внимание на вопросе, как записана генетическая программа и как она реализуется в клетке. Для этого нужно было выяснить, как всего четыре основания могут кодировать порядок расположения в молекулах белка целых двадцати аминокислот. Основной вклад в решение этой проблемы внес знаменитый физик-теоретик Г. Гамов в середине 1950-х гг.

По его предположению, для кодирования одной аминокислоты используется сочетание из трех нуклеотидов ДНК. Эта элементарная единица наследственности, кодирующая одну аминокислоту, получила название кодона. В 1961 г. гипотеза Гамова была подтверждена исследованиями Ф. Крика. Так был расшифрован молекулярный механизм считывания генетической информации с молекулы ДНК при синтезе белков.

В живой клетке имеются органеллы — рибосомы, которые «читают» первичную структуру ДНК и синтезируют белок в соответствии с записанной в ДНК информацией. Каждой тройке нуклеотидов ставится в соответствие одна из 20 возможных аминокислот. Именно так первичная структура ДНК определяет последовательность аминокислот синтезируемого белка, фиксирует генетический код организма (клетки).

Генетический код всего живого, будь то растение, животное или бактерия, одинаков. Такая особенность генетического кода вместе со сходством аминокислотного состава всех белков свидетельствует

о биохимическом единстве жизни, происхождении всех живых существ на Земле от единого предка.

Также был расшифрован механизм воспроизводства ДНК. Он состоит из трех частей: репликации, транскрипции и трансляции.

Репликация — это удвоение молекул ДНК. Основой репликации является уникальное свойство ДНК к самокопированию, что дает возможность деления клетки на две идентичные. При репликации ДНК, состоящая из двух скрученных молекулярных цепочек, раскручивается. Образуются две молекулярные нити, каждая из которых служит матрицей для синтеза новой нити, комплементарной к исходной. После этого клетка делится, и в каждой клетке одна нить ДНК будет старой, а вторая — новой. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводит к наследственным изменениям в организме — мутациям.

Транскрипция — это перенос кода ДНК путем образования од-ноцепочной молекулы информационной РНК (и-РНК) на одной из нитей ДНК. и-РНК — это копия части молекулы ДНК, состоящей из одного или группы расположенных рядом генов, несущих информацию о структуре белков.

Трансляция — это синтез белка на основе генетического кода и-РНК в особых органоидах клетки — рибосомах, куда транспортная РНК (т-РНК) доставляет аминокислоты.

В конце 1950-х гг. русскими и французскими учеными одновременно была выдвинута гипотеза о том, что различия в частоте встречаемости и порядке расположения нуклеотидов в ДНК у разных организмов имеют специфический для видов характер. Данная гипотеза позволила изучать на молекулярном уровне эволюцию живого и характер видообразования.

Существует несколько механизмов изменчивости на молекулярном уровне. Важнейшим из них является уже упоминавшийся механизм мутации генов — непосредственное преобразование самих генов, находящихся в хромосоме, под воздействием внешних факторов. Факторами, вызывающими мутацию (мутагенами), являются радиация, токсичные химические соединения, а также вирусы. При этом механизме изменчивости порядок расположения генов в хромосоме не меняется.

Еще один механизм изменчивости — рекомбинация генов. Это создание новых комбинаций генов, располагающихся в конкретной хромосоме. При этом сама молекулярная основа гена не меняется, а происходит его перемещение с одного участка хромосомы на другой или идет обмен генами между двумя хромосомами. Рекомбинация генов имеет место при половом размножении у высших организмов. При этом не происходит изменения общего объема генетической информации, он остается неизменным. Этот механизм объясняет, почему дети лишь частично похожи на своих родителей —

они наследуют признаки от обоих родительских организмов, которые сочетаются случайным образом.

Другой механизм изменчивости — неклассическая рекомбинация генов — был открыт лишь в 1950-е гг. При неклассической рекомбинации генов происходит общее увеличение объема генетической информации за счет включения в геном клетки новых генетических элементов. Чаще всего новые элементы привносятся в клетку вирусами. Сегодня обнаружено несколько типов трансмиссивных генов. Среди них — плазмиды, представляющие собой двухцепочную кольцевую ДНК. Из-за них после длительного использования каких-либо лекарств наступает привыкание, после чего они перестают оказывать медикаментозное воздействие. Патогенные бактерии, против которых действует наше лекарство, связываются с плазми-дами, что и придает бактериям устойчивость к лекарству, и они перестают его замечать.

Мигрирующие генетические элементы могут вызывать как структурные перестройки в хромосомах, так и мутации генов. Возможность использования таких элементов человеком привела к появлению новой науки — генной инженерии, целью которой является создание новых форм организмов с заданными свойствами. Таким образом, с помощью генетических и биохимических методов конструируются новые, не существующие в природе сочетания генов. Для этого видоизменяется ДНК, кодирующая производство белка с нужными свойствами. Данный механизм лежит в основе всех современных биотехнологий.

С помощью рекомбинантной ДНК можно синтезировать разнообразные гены и вводить их в клоны (колонии идентичных организмов) для направленного синтеза белка. Так, в 1978 г. был синтезирован инсулин — белок для лечения сахарного диабета. Нужный ген был введен в плазмиду и внедрен в обычную бактерию.

Генетики работают над созданием безопасных вакцин от вирусных инфекций, так как традиционные вакцины представляют собой ослабленный вирус, который должен вызывать выработку антител, поэтому их введение связано с определенным риском. Генная инженерия позволяет получить ДНК, кодирующую поверхностный слой вируса. В этом случае иммунитет вырабатывается, но заражение организма исключено.

Сегодня в генной инженерии рассматривается вопрос об увеличении продолжительности жизни и возможности бессмертия путем изменения генетической программы человека. Достичь этого можно, увеличив защитные ферментные функции клетки, оберегая молекулы ДНК от различных повреждений, связанных как с нарушением обмена веществ, так и с влиянием окружающей среды. Кроме того, ученым удалось открыть пигмент старения и создать специальный препарат, освобождающий клетки от него. В опытах с мы-

шами было получено увеличение продолжительности их жизни. Также ученым удалось установить, что в момент деления клетки уменьшаются теломеры — особые хромосомные структуры, расположенные на концах клеточных хромосом. Дело в том, что при репликации ДНК специальное вещество — полимераза — идет по спирали ДНК, снимая с нее копию. Но копировать ДНК полимераза начинает не с самого начала, а оставляет каждый раз недокопи-рованный кончик. Поэтому с каждым последующим копированием спираль ДНК укорачивается за счет концевых участков, не несущих никакой информации, или теломер. Как только теломеры исчерпываются, при последующих копированиях начинает сокращаться часть ДНК, несущая генетическую информацию. Это и есть процесс старения клеток. В 1997 г. в США и Канаде был проведен эксперимент по искусственному удлинению теломер. Для этого использовался вновь открытый клеточный фермент — теломераза, способствующий наращиванию теломер. Полученные таким образом клетки обрели способность многократно делиться, полностью сохранив свои нормальные функциональные свойства и не превращаясь в раковые клетки.

В последнее время стали широко известны успехи генных инженеров в области клонирования — точного воспроизведения того или иного живого объекта в определенном количестве копий из соматических клеток. При этом выращенная особь генетически неотличима от родительского организма.

Получение клонов у организмов, размножающихся посредством партеногенеза, без предшествующего оплодотворения, не является чем-то особенным и давно используется генетиками. У высших организмов также известны случаи естественного клонирования — рождение однояйцевых близнецов. Но искусственное получение клонов высших организмов связано с серьезными трудностями. Тем не менее, в феврале 1997 г. в лаборатории Яна Вильмута в Эдинбурге был разработан метод клонирования млекопитающих, и с его помощью была выращена овечка Долли. Для этого у овцы породы Шотландской черномордой извлекли яйцеклетки, поместили их в искусственную питательную среду и удалили из них ядра. Затем взяли клетки молочной железы взрослой беременной овцы породы Финский дорсет, несущие полный генетический набор. Эти клетки через некоторое время слили с безъядерными яйцеклетками и активировали их развитие посредством электрического разряда. Затем развивающийся зародыш в течение шести дней рос в искусственной среде, после чего эмбрионы были трансплантированы в матку приемной матери, где и развивались до рождения. Но из 236 опытов успешным оказался лишь один — выросла овечка Долли.

После этого Вильмут заявил о принципиальной возможности клонирования человека, вызвавшей самые оживленные дискуссии

не только в научной литературе, но и в парламентах многих стран, поскольку такая возможность связана с очень серьезными моральными, этическими и юридическими проблемами. Не случайно в некоторых странах уже приняты законы, запрещающие клонирование человека. Ведь большинство клонированных эмбрионов гибнет. Кроме того, велика вероятность рождения уродов. Так что опыты по клонированию не только аморальны, но и просто опасны с точки зрения сохранения чистоты вида Homo sapiens. To, что риск слишком велик, подтверждается информацией, пришедшей в начале 2002 г. и сообщающей о заболевании овечки Долли артритом — болезнью, не характерной для овец, после чего ее вскоре пришлось усыпить.

Поэтому намного более перспективным направлением исследований является изучение генома (совокупности генов) человека. В 1988 г. по инициативе Дж. Уотсона была создана международная организация «Геном человека», которая объединила множество ученых из разных стран мира и поставила задачу расшифровки всего генома человека. Это грандиозная задача, так как число генов в организме человека составляет от 50 до 100 тысяч, а весь геном — это более 3 млрд. нуклеотидных пар.

Считается, что первый этап данной программы, связанный с расшифровкой последовательности расположения нуклеотидных пар, будет завершен к концу 2005 г. Уже проведена работа по созданию «атласа» генов, набора их карт. Первая такая карта составлена в 1992 г. Д. Коэном и Ж. Доссе. В окончательном варианте она бьыа представлена в 1996 г. Ж. Вайсенбахом, который, изучая под микроскопом хромосому, с помощью специальных маркеров отмечал ДНК различных ее участков. Затем он клонировал эти участки, выращивая их на микроорганизмах, и получал фрагменты ДНК — последовательность нуклеотидов одной цепочки ДНК, из которой состояли хромосомы. Таким образом, Вайсенбах определил локализацию 223 генов и выявил около 30 мутаций, приводящих к 200 заболеваниям, среди которых гипертония, диабет, глухота, слепота, злокачественные опухоли.

Одним из результатов этой программы, пусть и не законченной, является возможность выявления генетических патологий на ранних стадиях беременности и создание генотерапии — метода лечения наследственных заболеваний с помощью генов. Перед проведением процедуры генотерапии выясняют, какой ген оказался дефектным, получают нормальный ген и вводят его во все больные клетки. При этом очень важно отследить, чтобы введенный ген работал под контролем механизмов клетки, иначе будет получена раковая клетка. Уже есть первые больные, вылеченные таким образом. Правда, пока не ясно, насколько радикально они излечены и

не вернется ли болезнь в будущем. Также пока не ясны и отдаленные последствия такого лечения.

И, наконец, в последнее время широко обсуждается проблема повсеместного распространения трасгенных продуктов питания, созданных путем внедрения генов, блокирующих развитие вирусных или грибковых заболеваний. Уже созданы и продаются трансгенные помидоры и кукуруза. На рынок поставляются хлеб, сыр и пиво, изготовленные с помощью трансгенных микробов. Такие продукты устойчивы по отношению к вредным бактериям, обладают улучшенными качествами — вкусом, питательной ценностью, крепостью и т.д. Так, в Китае выращивают устойчивые к вирусам табак, томаты и сладкий перец. Известны трансгенные томаты, устойчивые к бактериальной инфекции, картофель и кукуруза, устойчивые к грибкам. Но до сих пор неизвестны отдаленные последствия использования таких продуктов, прежде всего, механизм их воздействия на организм и геном человека.

С учетом возможной опасности использования генных технологий разработаны документы, регламентирующие их применение, правила безопасности проведения лабораторных исследований и промышленного освоения, а также правила внесения генетически модифицированных организмов в окружающую среду.

Таким образом, сегодня считается, что при соблюдении соответствующих предосторожностей польза, приносимая генными технологиями, перевешивает риск возможных отрицательных последствий.

Клеточный уровень

На клеточном уровне организации основной структурной и функциональной единицей всех живых организмов является клетка. На клеточном уровне так же, как и на молекулярно-генетическом, отмечается однотипность всех живых организмов. У всех организмов только на клеточном уровне возможны биосинтез и реализация наследственной информации. Клеточный уровень у одноклеточных организмов совпадает с организменным. История жизни на нашей планете начиналась с этого уровня организации.

Сегодня наукой точно установлено, что наименьшей самостоятельной единицей строения, функционирования и развития живого организма является клетка.

Клеткапредставляет собой элементарную биологическую систему, способную к самообновлению, самовоспроизведению и развитию, т.е. наделена всеми признаками живого организма.

Клеточные структуры лежат в основе строения любого живого организма, каким бы многообразным и сложным ни представлялось его строение. Наука, изучающая живую клетку, называется цитологией. Она изучает строение клеток, их функционирование как элементарных живых систем, исследует функции отдельных клеточных компонентов, процесс воспроизводства клеток, приспособление их к условиям среды и др. Также цитология изучает особенности специализированных клеток, становление их особых функций и развитие специфических клеточных структур. Таким образом, современная цитология может быть названа физиологией клетки. Успехи современной цитологии неразрывно связаны с достижениями биохимии, биофизики, молекулярной биологии и генетики.

В основе цитологии лежит утверждение, что все живые организмы (животные, растения, бактерии) состоят из клеток и продуктов их жизнедеятельности. Новые клетки образуются путем деления существовавших ранее клеток. Все клетки сходны по химическому составу и обмену веществ. Активность организма как целого слагается из активности и взаимодействия отдельных клеток.

Открытие существования клеток произошло в конце XVIIв., когда был изобретен микроскоп. Впервые клетка была описана английским ученым Р. Гуком в 1665 г., когда он рассматривал кусочек пробки. Поскольку его микроскоп был не очень совершенным, то, что он увидел, было на самом деле стенками отмерших клеток. Потребовалось почти двести лет, чтобы биологи поняли, что главную роль играют не стенки клетки, а ее внутреннее содержимое. Среди создателей клеточной теории следует также назвать А. Левенгука, показавшего, что ткани многих растительных

организмов построены из клеток. Он же описал эритроциты, одноклеточные организмы и бактерии. Правда, Левенгук, как и другие исследователи XVII в., видел в клетке лишь оболочку, заключавшую в себе полость.

Значительное продвижение в изучении клеток произошло в начале XIX в., когда на них стали смотреть как на индивидуумы, обладающие жизненными свойствами. В 1830-е гг. было открыто и описано клеточное ядро, что привлекло внимание ученых к содержимому клетки. Тогда же удалось увидеть деление растительных клеток. На основе этих исследований и была создана клеточная теория, ставшая величайшим событием в биологии XIX в. Именно клеточная теория дала решающие доказательства единства всей живой природы, послужила фундаментом для развития эмбриологии, гистологии, физиологии, теории эволюции, а также понимания индивидуального развития организмов.

Мощный толчок цитология получила с созданием генетики и молекулярной биологии. После этого были открыты новые компоненты, или органеллы, клетки — мембрана, рибосомы, лизосомы и др.

По современным представлениям, клетки могут существовать как самостоятельные организмы (например, простейшие), так и в составе многоклеточных организмов, где есть половые клетки, служащие для размножения, и соматические клетки (клетки тела). Соматические клетки различаются по строению и функциям — существуют нервные, костные, мышечные, секреторные клетки. Размеры клеток могут варьироваться от 0,1 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе). Живой организм образован миллиардами разнообразных клеток (до 10 15 ), форма которых может быть самой причудливой (паук, звезда, снежинка и пр.).

Установлено, что несмотря на большое разнообразие клеток и выполняемых ими функций, клетки всех живых организмов сходны по химическому составу: особенно велико в них содержание водорода, кислорода, углерода и азота (эти химические элементы составляют более 98% всего содержимого клетки); 2% приходится на примерно 50 других химических элементов.

Клетки живых организмов содержат неорганические вещества — воду (в среднем до 80%) и минеральные соли, а также органические соединения: 90% сухой массы клетки приходится на биополимеры — белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды. И, наконец, научно доказано, что все клетки состоят из трех основных частей:

1) плазматической мембраны, контролирующей переход веществ из окружающей среды в клетку и обратно;

2) цитоплазмы с разнообразной структурой;

3) клеточного ядра, в котором содержится генетическая информация.

Кроме того, все животные и некоторые растительные клетки содержат центриоли — цилиндрические структуры, образующие клеточные центры. У растительных клеток также есть клеточная стенка (оболочка) и пластиды — специализированные структуры клеток, часто содержащие пигмент, от которого зависит окраска клетки.

Клеточная мембрана состоит из двух слоев молекул жироподоб-ных веществ, между которыми находятся молекулы белков. Мембрана поддерживает нормальную концентрацию солей внутри клетки. При повреждении мембраны клетка погибает.

Цитоплазма представляет собой водно-солевой раствор с растворенными и взвешенными в нем ферментами и другими веществами. В цитоплазме располагаются органеллы — маленькие органы, отграниченные от содержимого цитоплазмы собственными мембранами. Среди них — митохондрии — мешковидные образования с дыхательными ферментами, в которых высвобождается энергия. Также в цитоплазме располагаются рибосомы, состоящие из белка и РНК, с помощью которых осуществляется биосинтез белка в клетке. Эн-доплазматическая сеть — это общая внутриклеточная циркуляционная система, по каналам которой осуществляется транспорт веществ, а на мембранах каналов находятся ферменты, обеспечивающие жизнедеятельность клетки. Важную роль в клетке играет клеточный центр, состоящий из двух центриолей. С него начинается процесс деления клетки.

Важнейшей частью всех клеток (кроме бактерий) является ядро, в котором находятся хромосомы — длинные нитевидные тельца, состоящие из ДНК и присоединенного к ней белка. Ядро хранит и воспроизводит генетическую информацию, а также регулирует процессы обмена веществ в клетке.

Клетки размножаются путем деления исходной клетки на две дочерние. При этом дочерним клеткам передается полный набор хромосом, несущих генетическую информацию, поэтому перед делением число хромосом удваивается. Такое деление клеток, обеспечивающее одинаковое распределение генетического материала между дочерними клетками, называется митозом.

Многоклеточные организмы также развиваются из одной клетки — яйца. Однако в процессе эмбриогенеза клетки видоизменяются. Это приводит к появлению множества разных клеток — мышечных, нервных, кровяных и т.д. Разные клетки синтезируют разные белки. Тем не менее, каждая клетка многоклеточного организма несет в себе полный набор генетической информации для построения всех белков, необходимых для организма.

В зависимости от типа клеток все организмы делятся на д в е группы:

1) прокариоты — клетки, лишенные ядра. В них молекулы ДНК не окружены ядерной мембраной и не организованы в хромосомы. К прокариотам относятся бактерии;

Таким образом, между прокариотами и эукариотами есть существенные отличия в структуре и функционировании генетического аппарата, клеточных стенок и мембранных систем, синтезе белка и т.д. Предполагается, что первыми организмами, появившимися на Земле, были прокариоты. Так считалось до 1960-х гг., когда углубленное изучение клетки привело к открытию архебактерий, строение которых сходно как с прокариотами, так и с эукариотами. Вопрос о том, какие одноклеточные организмы являются более древними, о возможности существования некой первоклетки, из которой потом появились все три эволюционные линии, до сих пор остается открытым.

Изучая живую клетку, ученые обратили внимание на существование двух основных типов ее питания, что позволило все организмы по способу питания разделить на д в а вида:

1) автотрофные организмы — организмы, не нуждающиеся в органической пище и могущие осуществлять жизнедеятельность за счет ассимиляции углекислоты (бактерии) или фотосинтеза (растения), т.е. автотрофы сами производят необходимые им питательные вещества;

2) гетеротрофные организмы — это все организмы, которые не могут обходиться без органической пищи.

Позднее были уточнены такие важные факторы, как способность организмов синтезировать необходимые вещества (витамины, гормоны и т.д.) и обеспечивать себя энергией, зависимость от экологической среды и др. Таким образом, сложный и дифференцированный характер трофических связей свидетельствует о необходимости системного подхода к изучению жизни и на онтогенетическом уровне. Так была сформулирована концепция функциональной системности П.К. Анохина, в соответствии с которой в одноклеточных и многоклеточных организмах согласованно функционируют различные компоненты систем. При этом отдельные компоненты содействуют и способствуют согласованному функционированию других, обеспечивая тем самым единство и целостность в осуществлении процессов жизнедеятельности всего организма. Функциональная системность также проявляется в том, что процессы на низших уровнях организуются функциональными связями на высших уровнях организации. Особенно заметно функциональная системность проявляется у многоклеточных организмов.

Источник