Тема №19. Уровни организации живой материи

План:

19.1 Физико-химическая биология.

19.2 Живые системы и их структурные уровни.

19.3 Молекулярно-генетический уровень.

19.4 Онтогенетический уровень.

19.5 Популяционно-биоценотический уровень жизни.

19.6 Биосферный уровень жизни.

Физико-химическая биология. Биология в Новое время все шире использовала методы других естественных наук, более развитых, – физики и химии. Так в науку проникла мысль, что все явления жизни подчиняются законам физики и химии и могут быть объяснены с их помощью. Таким образом, биология использовала идеи редукционизма.

В XX в. появилась молекулярная генетика, что вывело биологию на новый уровень анализа жизни и еще теснее сблизило ее с физикой и химией. Удалось понять генетическую роль нуклеиновых кислот, были открыты молекулярные механизмы генетической репродукции и биосинтеза белка, а также молекулярно-генетические механизмы изменчивости, изучен обмен веществ на молекулярном уровне.

В настоящее время ученые при поиске истины используют весь арсенал накопленных к настоящему времени методов исследования живого. Среди них:

• метод меченых атомов, который используется для наблюдения за передвижением и превращением веществ в живом организме;

• методы рентгеноструктурного анализа и электронной микроскопии, позволяющие исследовать крупные молекулярные компоненты и субмикроскопические структуры в живых клетках;

• хроматографические методы, использующиеся при биохимическом исследовании;

• спектральные методы;

• методы зондирования в тканях, позволяющие следить за работой живых органов (ЯМР-томография, УЗИ-томография, оптические зонды).

Объединение биологии с химией положило начало новой науке – биохимии, которая изучает структуру и свойства биомолекул одновременно с их метаболизмом в живых тканях и органах. Иными словами, биохимия анализирует изменения биомолекул внутри живого организма.

Живые системы и их структурные уровни. Одной из важнейших концепций, специфичной для биологии XX в. стала концепция структурных уровней организации живой природы, находящихся между собой в отношениях иерархического соподчинения. Эта точка зрения – результат применения системного подхода.

В живой природе выделяются системы, соответствующие системам микро-, макро- и мегамира в неживой природе. На каждом уровне организации живой природы интерес ученых должен быть направлен не только на изучение физической и химической организации изучаемой системы, а на изучение феномена жизни.

Системно-структурные уровни организации жизни чрезвычайно многообразны. Среди них выделяют молекулярный, клеточный, тканевой, органный, онтогенетический, популяционный, видовой, биогеоценотический, биосферный уровни. Некоторые из этих уровней можно объединить. В результате получается разделение на четыре основных уровня.

1. Молекулярно-генетический уровень жизни. Биохимические основы жизни.

Все живые организмы имеют в своем составе простые неорганические молекулы: азот, водород, 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 молекулы (полимеры), построенные из множества мономеров. Существуют три типа молекул: полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты. Мономерами для них служат соответственно моносахариды, аминокислоты и нуклеотиды. Белки и нуклеиновые кислоты являются «информационными» молекулами, так как в их строении важную роль играет последовательность мономеров, которая может быть весьма разнообразной. Полисахариды играют роль резерва энергии и строительного материала для синтеза более крупных молекул. К ним относятся крахмал, гликоген, целлюлоза.

Довольно хорошо изучены сегодня молекулярные основы обмена веществ в клетке. Существуют три основных типа обмена веществ (метаболизма):

• катаболизм, или диссимиляция – процесс расщепления сложных органических соединений, сопровождающийся выделением химической энергии при разрыве химических связей;

• амфоболизм – процесс образования в ходе катаболизма мелких молекул, которые затем принимают участие в строительстве более сложных молекул;

• анаболизм, или ассимиляция – разветвленная система процессов биосинтеза сложных молекул с расходованием энергии аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).

Процессы жизнедеятельности живых организмов определяются взаимодействием двух видов макромолекул – белков и ДНК. Генетическая информация организма хранится в молекулах ДНК. Она служит для зарождения следующего поколения и производства белков, контролирующих почти все биологические процессы. Поэтому нуклеиновым кислотам принадлежит такое же важное место в организме, как и белкам. Кроме того, как белки, так и нуклеиновые кислоты обладают одним очень важным свойством — молекулярной дисимметрией (асимметрией), или молекулярной хиралъностью(от греч. cheir – рука).

Нуклеиновые кислоты – это сложные органические соединения, представляющие собой фосфорсодержащие биополимеры. Молекула нуклеотида состоит из пятиуглеродного сахара, азотистого основания и фосфорной кислоты. Существует два типа нуклеиновых кислот – дезоксирибонуклеиновая 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. 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.

Рождение молекулярной генетики произошло в 1941 г., когда Дж. Бидл и Э. Тэйтум установили прямую связь между состоянием генов (ДНК) и синтезом ферментов (белков). Позже было выяснено, что основной функцией генов является кодирование синтеза белка.

Доказательство генетической роли ДНК было получено в 1944 г. О. Эйвери в опытах на бактериях. Тогда же было установлено, что в ДНК используется только четыре азотистых основания – аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г), цитозин (Ц). В состав РНК вместо тимина входит урацил (У). Аденин и гуанин – это пуриновые основания, цитозин и тимин – пиримидиновые.

В 1953 г. произошло одно из величайших открытий в биологии: Д.Уотсона и 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 комплиментарные пары: А–Т и Г–Ц. Это значит, что последовательность оснований одной цепи однозначно определяет последовательность оснований в другой, комплиментарной цепи молекулы.

Ген – это участок молекулы ДНК или РНК (у некоторых вирусов). РНК содержит 4…6 тысяч отдельных генов, ДНК – 10…25 тысяч. Если бы можно было вытянуть ДНК одной человеческой клетки в непрерывную нить, то ее длина составила бы 90 см

ДНК является основой хромосомы – сложного макромолекулярного комплекса, включающего помимо самой молекулы ДНК еще несколько особых белковых макромолекул.

В ядро клетки любого организма входит определенный набор хромосом, полностью определяющий структуру всего организма. Совокупность генов, содержащихся в одинарном наборе хромосом, называется геномом.

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 двадцати возможных аминокислот. Именно так первичная структура ДНК определяет последовательность аминокислот синтезируемого белка, фиксирует генетический код организма.

Кодоны – дискретные единицы генетического кода, состоящие из трех последовательных нуклеотидов в молекуле ДНК или РНК - могут образовываться следующими триплетами – АДА, АГЦ, ГГГ, ЦГГ и т.д. Полное число таких триплетов — 64. Из них три являются стоп-сигналами, а 61 – кодирует 20 аминокислот.

Генетический код не сводится только к кодонам. На основе кодонов образуются более крупные комплексы – цистроны, которые определяют последовательность аминокислот в системе «белок – фермент». Блоком цистронов управляет оперон.

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, говорит о 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 самокопироваться, 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, комплиментарной к ней. При этом Т в новой цепи располагается против А в старой и т.д. 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 одноцепочной молекулы информационной РНК (и-РНК) на одной нити ДНК. Информационная РНК – это копия части молекулы ДНК, состоящей из одного или группы рядом лежащих генов, несущих информацию о структуре белков.

Трансляция – это синтез белка на основе генетического кода и-РНК в особых частях клетки – рибосомах, куда транспортная РНК доставляет аминокислоты.