Карпенков С. Концепции современного естествознания: Учебник для вузов

ОГЛАВЛЕНИЕ

ГЛАВА 7 БИОСФЕРНЫЙ УРОВЕНЬ ОРГАНИЗАЦИИ МАТЕРИИ

7.1. Основополагающие жизненные системы

Переход от неживой материи к живой произошел, по-видимому после того, как на базе предшественников возникли и развились зачатки двух основополагающих жизненных систем: системы обмена веществ и системы воспроизведения материальных основ живой клетки. Как это произошло – пока трудно даже предполагать. В современных организмах обе жизненные системы достигли высочайшего уровня совершенства. Одна и та же физико-химическая основа таких систем всех земных организмов независимо от степени их сложности указывает на то, что древо жизни выросло из одного черенка.
Назначение обмена веществ – поддерживать равновесное состояние живого организма. Такая довольно сложная задача решается путем отбора веществ, из которых синтезируются нужные организму соединения. С другой стороны, эта система выводит из организма все то, что не может быть им усвоено или что появляется как шлак от процессов жизнедеятельности. Система обмена обеспечивает взаимосогласованные в высшей степени биохимические реакции синтеза и расщепления белков. Можно только завидовать тому, как экономно, надежно и точно осуществляет природа функцию обмена во всех живых системах – от простейшей клетки до высших организмов. Не случайно многие ученые с давних времен стремятся создать лабораторию живого организма.
Система воспроизведения содержит в закодированном виде полную информацию для построения из запасенного клеткой органического вещества нужного в данный момент белка. Она же управляет механизмом извлечения и реализации программной информации. Свои функции система воспроизведения осуществляет посредством полимерных соединений – полинуклеотидов. Здесь ключевая роль принадлежит дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК) и рибонуклеиновой кислоте (РНК). ДНК хранит генетическую информацию, а РНК воспроизводит ее и переносит в среду, содержащую необходимые для синтеза белка исходные вещества.
В последнее время в изучении механизмов работы основополагающих жизненных систем достигнуты определенные успехи. Однако остается открытым вопрос: как в ходе эволюции могли образоваться из неживого вещества такие высокоорганизованные, тонко подогнанные системы обмена веществ и воспроизведения? Время для ответа на этот вопрос еще не настало.
Существует, кроме того, пока необъяснимое, различие физических свойств живого и неживого вещества, отражающее особенность процесса возникновения жизни на Земле. С точки зрения физики отличительной особенностью органических соединений, порожденных жизнью, является их оптическая активность – способность поворачивать плоскость поляризации проходящего через них света в одном направлении – либо влево, либо вправо, в зависимости от конкретного типа соединений. Так, все белковые молекулы земных организмов поворачивают плоскость поляризации проходящего света влево, что указывает на их левую пространственную конфигурацию (L-конфигурацию), а молекулы нуклеиновых кислот ДНК и РНК – только вправо, т. е. обладают правой или D-конфигурацией. В то же время неживое вещество подобного химического состава представляет собой смесь с равновероятным содержанием молекул обеих конфигураций, поэтому поворота плоскости поляризации проходящего через них света не происходит. Предполагается, что оптическая активность органических соединений живых организмов имеет прямое отношение к происхождению жизни.
Сохранение в процессах, связанных с жизнью, органических молекул только одной из двух возможных пространственных структур, называют хиральностью, а соответствующие им молекулы – хиральными. Хаотическая же смесь органических молекул обеих пространственных конфигураций называют рацематом, который возникает при абиогенном синтезе органических молекул. Вне сомнений в преджизненный период образования органических соединений на Земле возникал только рацемат. При переходе к жизни в органических соединения вдруг произошла сортировка молекул и появилась хиральность. Как это произошло, почему в белках отсортировались молекулы с L - конфигурацией, а в ДНК и РНК - молекулы с D - конфигурацией? На эти вопросы пока ответа нет, но высказывается предположение, основанное на процессе самоорганизации в природе: переход от рацемата к хиральности произошел не в ходе эволюционного, а в результате скачка со всеми характерными  чертами самоорганизации материи. Есть другая точка зрения. Ее выдвинул Л. Пастер (1822-1895), французкий микробиолог, первооткрыватель оптической активности вещества живых организмов. Суть ее в том, что зеркальная ассиметрия живых систем следует некоторой ассиметрии Вселенной. Отдавая должное широте взглядов ученого, еще в прошлом веке связавшего жизнь и космос в единое целое, отметим: ассиметрия Вселенной нарушала бы симмерию любого органического вещества, от его происхождения. Точку зрения Пастера пытались развить, выдвигая  предположения о существовании каких-то агентов, оказывающих  ассиметричное воздействие на вещество организмов. Однако обнаружить таких агентов пока не удалось. 

7.2. Равновесие биохимических процессов

Любой живой организм  можно представить в виде сложной  динамической системы, в которой одни химические соединения превращаются в другие. Совокупность таких превращений обеспечивается  системой обмена веществ. Благодаря  обмену веществ живая система  поддерживает свое существование. Образующие живой организм вещества способны  вступать в разнообразные химические реакции, однако система обмена обеспечивает взаимодействие только вполне определенных веществ. В организме есть своеобразное хранилище информации, с помощью которой  и определяется, какая  из множества реакций должна поисходить. Для синтеза многих химических  веществ организма нужна энергия. Поэтому управление химическими процессами и их энергообеспечения тесно взаимосвязаны.
Живому организму, как и любой термодинамической системе, свойственно стремление к равновесному состоянию. В данном случае речь идет о химическом равновесии – состоянии реагирующих веществ, при котором их относительное количество не изменяется со временем. Такое состояние для живого организма называется биохимическим равновесием. Постоянство концентраций при биохимическом равновесии вовсе не означает, что химические реакции между реагирующими веществами прекратились. Они не прекратились, но скорости прямой и обратной реакции одинаковы, так что состав конечной равновесной смеси зависит от начальной концентрации реагентов, температуры и давления – факторов, существенно влияющих на скорость реакций.
В процессе химических превращений могут образовываться вещества с относительно большим запасом энергии за счет расщепления других веществ на продукты с меньшим ее запасом. Многие биохимические процессы именно так и происходят. Такие процессы сложны и многообразны, но все они происходят при общем уменьшении энергии, доступной системе.
Если в систему не поступают и из нее не выходят ни вещества, ни энергия, то она будет приближаться к состоянию равновесия, соответствующему минимуму потенциальной энергии. Хорошо известно, что древесина, сахар, бумага и многие другие вещества при обычных условиях обладают высокой химической стабильностью. С другой стороны, например, если поднести к бумаге зажженную спичку, то начинается процесс горения, при котором преодолевается энергетический барьер и начинается движение к другому химическому равновесию с образованием углекислого газа и воды.
Преодоление энергетического барьера при химической реакции возможно не только при повышении температуры, но и при действии катализаторов. Как уже отмечалось, в живых организмах катализаторами являются ферменты. Они высокоселективны, т. е. способны ускорять одну или небольшое число сходных реакций. Именно ферменты определяют, какие реакции будут идти с повышенной скоростью, а какие нет, и от этого зависят многие функции живого организма.
Химическую природу ферментов впервые определила 1926 г. американский биохимик Джеймс Самнер (1887–1955), лауреат Нобелевсой премии 1946 г. Из соевых бобов он выделил в кристаллической форме фермент уреазу и доказал его белковую природу. Дальнейшие исследования показали, что ферменты представляют собой белки. Обратное утверждать нельзя: подавляющее большинство белков – ферменты, но есть множество белков с другими функциями (например, белок кератин – главный компонент волос, белок коллаген содержится в костной ткани, коже, и др.). Их называют структурными белками. Недавно выяснилось, что в особом случае ферменты имеют небелковую природу: некоторые рибонуклеиновые кислоты (РНК) способны катализировать изменения в своей собственной структуре.

7.3. Носитель генетической информации

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) – материальный носитель генетической информации. Это высокомолекулярное природное соединение, содержащееся в ядрах клеток живых организмов. Молекулы ДНК вместе с белками-гистонами образуют вещество хромосом. Гистоны входят в состав ядер клеток и участвуют в поддержании и изменении структуры хромосом на разных стадиях клеточного цикла, в регуляции активности генов. Отдельные участки молекул ДНК соответствуют определенным генам. Молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в спираль (рис. 7.1). Цепи  построены из большого числа мономеров четырех типов – нуклеотидов, специфичность которых определяется одним из четырех азотистых оснований:аденин (А), тимин (Т), цитозин (С) и гуанин (G). Сочетатание трех рядом стоящих нуклеотидов в цепи ДНК образуют генетический код. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводит к наследственным изменениям в организме – мутациям. ДНК точно воспроизводится при делении клеток, что обеспечивает в ряду поколений клеток и организмов передачу наследственных признаков и специфических форм обмена веществ.

Рис. 7.1. Структура молекулы ДНК.

Структурная модель ДНК в виде двойной спирали была предложена в 1953 г. американским биохимиком Дж. Уотсоном (р. 1928) и английским биофизиком и генетиком Ф. Криком (р. 1916). Модель Уотсона–Крика позволила объяснить многие свойства и биологические функции молекулы ДНК. За расшифровку генетического кода Дж. Уотсон, Ф. Крик и английский биофизик М. Уилкинс (р. 1916), впервые получивший высококачественную рентгенограмму молекулы ДНК, удостоены Нобелевской премии 1962 г.
ДНК – это удивительное природное образование со спиральной симметрией. Длинные переплетенные нити цепочечной структуры ДНК состоят из молекул сахара и фосфатов. К молекулам сахара присоединяются азотистые основания, образуя поперечные связи между двумя спиральными нитями. Вытянутая молекула ДНК напоминает деформированную винтообразную лестницу. Это действительно макромолекула: ее молекулярная масса может достигать 109. Несмотря на сложное строение, молекула ДНК содержит лишь четыре азотистых основания: A,T,C,G. Между аденином и тимином образуются водородные связи. Они настолько структурно соответствуют друг другу, что аденин распознает тимин и связывается с ним, и наоборот. Цитозин и гуанин – еще одна пара аналогичного типа. В данных нуклеотидных парах таким образом А всегда связывается с Т, а С с G (рис. 7.2). Такая связь соответствует принципу комплиментарности. Число базовых пар: аденин–тимин и цитозин–гуанин, например, у человека грандиозно: одни исследователи считают, что их 3 млрд., а другие – более 3,5 млрд.

Способность азотистых оснований к распознаванию своего партнера приводит к свертыванию сахарофосфатных цепей в виде двойной спирали, структура которой экспериментально определена в результате рентгеновских наблюдений. Взаимодействия между азотистыми основаниями в высшей степени специфичны, поэтому спираль может сформироваться лишь в том случае, если последовательности оснований в обеих цепях полностью идентичны.
Сахарофосфатную группу вместе с одним из азотистых оснований А, Т, С или G, образующую нуклеотид (рис.7.3), можно представить в виде своеобразного строительного блока. Из таких блоков и состоит молекула ДНК. С помощью последовательности нуклеотидов кодируется информация в молекуле ДНК. В ней содержится информация, необходимая, например, для производства белков, нужных живому организму.

Молекула ДНК может копироваться в процессе катализируемой ферментами репликации, заключающейся в ее удвоении. При репликации происходит разрыв водородных связей с образованием одинарных цепей, служащих в качестве матрицы при ферментативном синтезе таких же последовательностей строительных блоков. Процесс репликации включает, таким образом, разрыв старых и формирование новых водородных связей. В начале репликации две противоположные цепи начинают раскручиваться и отделяться одна от другой (рис.7.4). В точке раскручивания фермент пристраивает новые цепи к двум старым по принципу комплиментарности: Т в новой цепи располагается против А в старой и т. д., в результате образуются две идентичные двойные спирали. Вследствие относительной непрочности таких связей репликация происходит без нарушения более сильных ковалентных связей в сахарофосфатных цепях. Кодирование генетической информации и репликация молекулы ДНК – взаимосвязанные важнейшие процессы, необходимые для развития живого организма.

Генетическая информация кодируется последовательностью нуклеотидов ДНК. Основополагающие работы по расшифровке генетического кода провели американские биохимики М. Ниренберг (р. 1927), X. Корана (р. 1922) и Р. Холли (р. 1922); лауреаты Нобелевской премии 1968 г. Три последовательных нуклеотида составляют единицу генетического кода, называемую кодоном. Каждый кодон кодирует ту или иную аминокислоту, общее число которых равно 20. Молекулу ДНК можно представить в виде последовательности букв-нуклеотидов, образующих текст из большого их числа, например, АСАТ-TGGAG... В таком тексте и содержится информация, определяющая специфику каждого организма: человека, дельфина и т. д. Генетический код всего живого, будь то растение, животное или бактерия, одинаков. Например, кодон GGU во всех организмах кодирует аминокислоту глицин. Такая особенность генетического кода вместе со сходством аминокислотного состава всех белков свидетельствует о биохимическом единстве жизни, которое, по-видимому, отражает происхождение всех живых существ от единого предка.

7.4. Генетические свойства

Наследственный аппарат и генная инженерия

Накануне открытия Уотсона и Крика видные биологи считали, что вторгаться в наследственный аппарат, а тем более манипулировать с ним наука будет в состоянии лишь в XXI в. Так порой непредсказуемы в науке ее основополагающие открытия, дающие человечеству совершенно новые возможности и в познании, и в практике. Но здесь в дело вступила предельная четкость строения ДНК, ее некапризный характер, которые в соединении с неистощаемой выдумкой исследователей породили новый вид исследования: генную инженерию – искусство манипулирования этой удивительной молекулой.
Перед наукой открылась возможность не только изучать наследственный материал, но и влиять на саму наследственность: «оперировать» ДНК, сращивать участки генов далеких друг от друга животных или растений, иначе говоря, творить неизвестные природе химеры, подобные тем, которых с такой фантазией когда-то изображал на своих полотнах известный художник И. Босх.
Первым с помощью генной инженерии был получен инсулин, затем интерферон, потом гормон роста. Позже сумели изменить наследственность свиньи, чтобы она не наращивала столько жира, коровы – чтобы ее молоко не скисало так быстро. Благодаря вмешательству человека в конструкцию ДНК были улучшены или изменены качества десятков животных и растений.
Но неожиданно генной инженерии представилась возможность решать задачи, казалось бы, совсем далекие и от сельскохозяйственных полей, и от ферм, и от нужд человеческого здоровья.
Стареет ли наследственный аппарат? Мать, отец, ребенок – современники. Сохранится ли действенность генного анализа, когда речь зайдет об ушедших из жизни людях? Лабораторные исследования подтверждают силу анализа даже в том случае, если ДНК принадлежат весьма далеким друг от друга поколениям.
История недавно предоставила возможность проверить это. Необходимо было определить, кому принадлежат скелеты, найденные в захоронении под Екатеринбургом. Царской ли семье, расстрелянной в этом городе в 1918 г.? Или слепой случай собрал в одну могилу такое же число мужских и женских останков? Ведь в годы гражданской войны погибли многие миллионы.
Образцы останков были отправлены в Англию, в центр судебно-медицинской экспертизы, – там уже накоплен большой опыт генного анализа.
Из костной ткани исследователи выделили молекулы ДНК и провели анализ. С точностью 99% установлено: в исследуемой группе находятся останки отца, матери и их трех дочерей.
Но может быть, это не царская семья? Следовательно, надо было доказать родство найденных останков с членами английского королевского дома, с которым Романовы связаны довольно близкими родственными узами. В частности, муж ныне здравствующей королевы Англии принц Филипп – внучатый племянник русской императрицы Александры Федоровны (его мать доводилась племянницей последней русской царицы).
Анализ подтвердил родство погибших с английским королевским домом. Генеральный директор службы судебно-медицинской экспертизы британского Министерства внутренних дел госпожа Джанет Томпсон официально объявила: «Найденные под Екатеринбургом останки принадлежат царской семье Романовых».

Гены индивидуальности

Есть чудеса, которые мы наблюдаем ежедневно и ежечасно. Одно из них – неповторимая индивидуальность каждого живущего на Земле человека. Большинство людей ее просто не замечают. Поэтов она вдохновляет и удивляет. «Не сравнивай – живущий несравним», – писал О. Мандельштам. Ученым же долгое время не удавалось найти ключ к этой загадке.
Известно, что вся информация о строении и развитии живого организма «записана» в его геноме– совокупности генов.
Считается, что внутри одного вида геномные различия очень незначительны. Это значит, что ген, например, окраски глаз у человека отличается от гена окраски глаз у кролика, но у разных людей этот ген устроен одинаково и состоит из одинаковых последовательностей ДНК.
Ученые наблюдают огромное разнообразие белков, из которых построены живые организмы – и удивительное однообразие генов, кодирующих эти белки. Разумеется, в геноме каждого человека должны быть какие-то области, определяющие его индивидуальность. Поиски таких областей велись учеными всего мира очень давно, однако решение проблемы долго не давалось. Некоторые гены так устроены, что отличаются у человека и крысы всего несколькими нуклеотидами – знаками генетического кода. Другие гены существенно различаются у человека и крысы, но совершенно одинаковы у двух людей. Изменчивость, связанная с существованием генов, подобных генам группы крови у человека, также не объясняет огромного разнообразия природных белков.
В 1985 г. поиски индивидуальных последовательностей ДНК наконец увенчались успехом. Были обнаружены в геноме человека особые сверхизменчивые участки – мини-сателлиты. Такие мини-сателлитные ДНК оказались настолько индивидуальны у каждого человека, что с их помощью удалось получить как бы «портрет» его ДНК, точнее, определенных генов.
Как же выглядит этот «портрет»? Это сложное сочетание темных и светлых полос, похожее на слегка размытый спектр, или на клавиатуру из темных и светлых клавиш разной толщины. Такое сочетание полос называют ДНК-отпечатками по аналогии с отпечатками пальцев. Иногда также говорят: «ДНК-профиль».
     На основе сверхизменчивых последовательностей ДНК были сконструированы специальные маркеры, или зонды ДНК. Эти маркеры, помеченные радиоактивным изотопом, добавляют к обработанным специальным образом ДНК. Маркеры «находят» сходные с ними сверхизменчивые участки на ДНК и присоединяются к ним, так что эти участки тоже становятся радиоактивными, и их можно выявить с помощью методов радиоавтографии. У каждого человека число и распределение таких мест присоединения индивидуально. Представьте себе несколько высотных домов, в которых вечером зажигаются огни. В первом доме на первом этаже горят три окна, на втором – пять, на десятом – одно. В другом доме – все по-другому. Что-то подобное происходит и с ДНК-отпечатками. Там, где маркеры присоединились к большому числу сверхизменчивых участков на ДНК, получается много радиоавтографических сигналов – это широкая темная полоса. Там, где мало мест присоединения, – узкая темная полоса. Там, где их совсем нет, – светлая полоса.
Таким образом, ученые начали исследование генома человека и обнаружили, что он буквально «насыщен» сверхизменчивыми последовательностями ДНК. Появлялись новые научные работы на эту тему. Во многих генах ученые всего мира стали обнаруживать неуловимые прежде индивидуальные последовательности ДНК. Как будто изменился угол зрения: так бывает, когда смотришь на картинку с двумя профилями: сначала видишь только один, но стоит разглядеть другой, первого как не бывало.
Итак, генетики получили ключ к разгадке индивидуальности человека. Неизбежно вставал вопрос: обладают ли такой же индивидуальностью другие организмы? Существуют ли у них сверхизменчивые последовательности ДНК?
Маркерные ДНК, сконструированные на основе сверхизменчивых последовательностей ДНК человека, не могут быть использованы для поиска таких последовательностей у других организмов. Ученые должны были найти универсальный маркер, одинаково пригодный и для бактерий, и для человека. И такой универсальный маркер был найден! Им оказался бактериофаг (вирус бактерий). Наличие такого универсального маркера чрезвычайно важно для работы генетиков и селекционеров.
С помощью отпечатков ДНК можно провести идентификацию личности гораздо более успешную, чем это позволяли сделать традиционные методы отпечатков пальцев и анализ крови. Причем ответ экспертизы будет не «возможно», а «да, это он». Вероятность ошибки – одна на несколько миллиардов. Неудивительно, что новым открытием немедленно воспользовались криминалисты. Открытие, сделанное на самом острие современной науки, стало быстро и очень эффективно применяться на практике.
Сейчас и в России, и за рубежом генетическая экспертиза прочно вошла в жизнь криминалистики. Ученые оказывают помощь следствию в самых сложных, запутанных судебных делах, где остальные методы отказываются работать.
Оказалось, что с помощью ДНК-отпечатков можно расследовать преступления не только настоящего времени, но и глубокого прошлого.
Генетические экспертизы по установлению отцовства – наиболее частый повод обращения судебных органов к генетической дактилоскопии. В судебные учреждения обращаются мужчины, сомневающиеся в своем отцовстве, и женщины, желающие получить развод на основании того что их муж не отец ребенка. Идентификацию материнства можно проводить по отпечаткам ДНК матери и ребенка в отсутствие отца, и наоборот, для установления отцовства достаточно ДНК-отпечатков отца и ребенка. При наличии же материала матери, отца и ребенка ДНК-отпечатки выглядят не сложнее, чем картинка из школьного учебника: каждая полоса на ДНК-отпечатке ребенка может быть «адресована» либо отцу, либо матери.
Генетиков всего мира интересуют сейчас прикладные аспекты генетической дактилоскопии. Обсуждаются вопросы паспортизации по отпечаткам ДНК преступников-рецидивистов, введения в картотеки следственных органов данных об отпечатках ДНК наряду с описанием внешности, особых примет, отпечатков пальцев.

7.5. Белки - основа живых систем

Структура белков

Белки представляют собой высокомолекулярные органические соединения, построенные из остатков 20 аминокислот. По своей структуре они относятся к полимерам. Их молекулы имеют форму длинных цепей, состоящих из повторяющихся молекул – мономеров. Для образования полимерной молекулы каждый из мономеров должен обладать как минимум двумя реакционноспособными связями с другими мономерами.
Белок по своей структуре похож на полимер найлон: оба полимера представляют собой цепочку мономеров. Но между ними есть существенное различие. Найлон состоит из двух видов мономеров, а белок построен из 20 различных мономеров – аминокислот. В зависимости от порядка чередования мономеров образуется множество различных видов белков.
Общая формула аминокислот, образующих белок, имеет вид:

Из данной формулы видно, что к центральному атому углерода присоединены четыре разные группы. Три из них – атом водорода Н, щелочная аминогруппа Н N и карбоксильная группа СООН – для всех аминокислот одинаковы. По составу и структуре четвертой группы, обозначенной R, аминокислоты отличаются друг от друга. В самых простых случаях в молекуле глицерина – такая группа представляет собой атом водорода, в молекуле аланина – СН и т. д.
Химическая связь (– СО – NH –), соединяющая аминогруппу одной аминокислоты с карбоксильной группой другой в молекулах белков, называется пептидной связью (см. рис.7.5).

Все активные организмы, будь то растения, животные, бактерии или вирусы, содержат белки, построенные из одних и тех же аминокислот. Поэтому в любом виде пищи содержатся те же аминокислоты, которые входят в состав белков организмов, потребляющих пищу.
В определении «белки – это полимеры, построенные из 20 разных аминокислот» содержится неполная характеристика белков. В лабораторных условиях не составляет труда в растворе аминокислот получить пептидные связи и сформировать таким образом длинные молекулярные цепи. Однако в таких цепях расположение аминокислот будет хаотическим, и образовавшиеся молекулы будут отличаться друг от друга. В то же время в каждом из природных белков порядок расположения отдельных видов аминокислот всегда один и тот же. А это означает, что при синтезе белка в живой системе используется информация, в соответствии с которой формируется вполне определенная последовательность аминокислот для каждого белка.
Последовательность расположения аминокислот в белке определяет его пространственную структуру. Большинство белков выполняют функцию катализаторов. В их пространственной структуре есть активные центры в виде углублений с вполне определенной формой. В такие центры попадают молекулы, превращение которых катализируется данным белком. Белок, выступающий в данном случае в роли фермента, может катализировать реакцию только при совпадении по форме превращающейся молекулы и активного центра. Этим и определяется высокая селективность белка-фермента.
Активный центр фермента может образовываться в результате свертывания весьма удаленных друг от друга участков белковой цепи. Поэтому замена одной аминокислоты другой даже на небольшом расстоянии от активного центра может повлиять на селективность фермента, либо полностью разрушить центр. Создавая различные последовательности аминокислот, можно получать самые разнообразные активные центры. В этом заключается одна из важнейших особенностей белков, выступающих в роли ферментов.

Функции белков

Белки – это природные органические соединения, состоящие из макромолекул, их молекулярная масса составляет от нескольких тысяч до нескольких миллионов. Каждая аминокислота белка содержит специфическую для нее группу. Аминокислоты образуют своеобразный алфавит из 20 «букв», которые объединяются в группы («слова»), определяющие молекулярную структуру белка и его биологическую функцию.
Белки выполняют чрезвычайное множество разнообразных функций. Как уже отмечалось, почти все химические реакции в организме катализируются особым видом белков – ферментами. Расщепление питательных веществ для генерирования энергии и синтез новых клеточных структур происходят в результате большого числа химических реакций при участии белковых катализаторов. Белки выполняют роль переносчиков, например гемоглобин переносит кислород от легких к тканям. Мышечные сокращения и внутриклеточное движения – результат взаимодействия молекул белков, функция которых, кроме того, заключается и в координации движения.
Одна из важных групп белковых молекул – антитела – защищает организм от вирусов, бактерий и т. п. Активность нервной системы зависит от белков, с помощью которых собирается и хранится информация, поступающая из окружающей среды. Группа белков – гормоны – управляют ростом клеток и их активностью.
Процессы жизнедеятельности живых организмов определяются взаимодействием двух видов макромолекул – ДНК и белков. Генетическая информация организма хранится в молекулах ДНК. Она служит для зарождения следующего поколения и для производства белков, контролирующих почти все биологические процессы.
Белки производятся с помощью особой молекулы, в которой считывается информация, закодированная в ДНК. Такая молекула называется рибонуклеиновой кислотой (РНК). В состав молекулы РНК входят четыре азотистых основания, три из них такие же, как и в ДНК: аденин, цитозин, гуанин, а четвертое – урацил (U), Каждая аминокислота кодируется тремя нуклео-тидами. Так образуются генетические коды. Например, последовательность цитозин (С) – аденин (А) – урацил (U), т. е. CAU соответствует аминокислоте гистодину, CUG – лейцину, CCG – пролину, AUG – метионину (рис. 7.6).

В результате большой работы по расшифровке генетического кода, проводимой в течение нескольких десятилетий, разработаны методы не только определения последовательностей аминокислот в белковых цепях, но и их компоновки в заданном порядке. В лаборатории удалось получить таким образом полипептиды и даже небольшие белки, идентичные тем, что выделены из природных источников. К настоящему времени разработаны два эффективных метода синтеза гена, что весьма важно для развития биотехнологии. В одном из них под действием дегидратирующих агентов проводится фосфорирование Сахаров. В другом предварительно синтезируется промежуточная структура для получения заданной скелетной фосфатной связи. Данные методы позволили глубже понять биологическую систему как химический объект, на чем основана современная биотехнология.
.

Комментарии (3)
Обратно в раздел Наука