Биология

Зачет Происхождение жизни. Начальные этапы развития жизни.

В настоящее время наиболее широкое распространение получила гипотеза о происхождении на Земле, разработанная А. И. Опариным. Эта гипотеза исходит из предположения о постепенном возникновении жизни на Земле из неорганических веществ путем длительной абиогенной (небиологической) молекулярной эволюции. Считают, что Земля и другие планеты Солнечной системы образовались из газово-пылевого облака около 4,5 млрд. лет назад.

На первых этапах своего формирования Земля имела очень высокую температуру. Атмосфера состояла из свободного водорода и его соединений (H₂O, CH₄, NH₃, HCN) и потому носила восстановительный характер. Это послужило важной предпосылкой возникновения органических молекул небиологическим путем. Компоненты атмосферы подвергались воздействию грозовых разрядов, жесткого, близкого к рентгеновскому коротковолновому излучению Солнца, высокой температуре в области грозовых разрядов и вулканической деятельности и т.п. В результате компоненты атмосферы вступали во взаимодействие, изменялись и усложнялись. Возникли молекулы сахаров, аминокислот, азотистые основания, органические кислоты (уксусная, молочная, муравьиная и др.), многие другие органические соединения. В 1953 г. американский ученый Л. С. Миллер, пропуская через смесь H₂, H₂O, CH₄, NH₃, получил смесь нескольких аминикислот и органических кислот. Одним из доказательств абиогенного происхождения органических веществ является обнаружение их в космическом пространстве (метиловый и этиловыйспирты, цианистый водород, формальдегид и др.). По мере охлаждения Земли водяной пар из атмосферы конденсировался, на поверхность Землт обрушивались дожди, образуя на ней большие водные пространства, в которых растворялись полученные органические вещества. В водной среде могли происходить образования полимеров. Следует отметить, что для образования простых соединений требуются более жесткие условия, чем для возникновения сложных.

Реакции конденсации приводят к образованию линейных полимеров - полипептидов и полинуклеотидов – различной длины и имеющих случайную последовательность мономеров. Далее возможен процесс комплементарного матричного копирования. Потом белоксинтезирующая система отделялась от внешней среды, что заложено в физико-химических свойствах молекул. Молекулы, окруженные водной оболочкой, могут объединяться, образуя многомолекулярные комплексы коацерваты.

Коацерваты обладали способностью поглощать различные вещества, состав коацерватной капли менялся, что вело или к распаду капли, или к росту и изменению химического состава. Далее в процессе длительного отбора сохранились только те капли, которые при распаде на дочерние не утрачивали особенностей своей структуры, т.е. приобрели свойство самовоспроизведения. Эволюция коацерватов завершилась образованием мембраны, состоявшей из фосфолипидов. Образование наружной мембраны предопределило направление дальнейшей химической эволюции по пути развития все более совершенных саморегулируеющихся систем вплоть до возникновения примитивных клеток. Ключевым событием в возникновении клетки послужило объединение матричной функции РНК и каталической функции пептидов…

Начальные этапы развития. Первые организмы были гетеготрофамии в качестве пищи использовали органические соединенич, растворенные в водах первичного океана. Свободного кислорода тогда еще не было. Постепенно организмов становило больше, а пищи меньше, в этих условиях в преимущественном положении оказались организмы, приобредшие способность использовать энергию света дла синтеза органических веществ из СО₂ и N₂. Но эти газы находились в инертном состоянии, для участия в химических реакциях им необходимо предать электроны от других соединений. Функцию передачи электронов, по-видимому, выполнял активированный светом пигментный комплекс, предшественник современного хлорофилла.

Следующим важным шагом эволюции было приобретение фотосинтезирующими организмами способности использовать воду в качестве источника водорода. Автотрофное усвоение СО₂ такими организмами сопровождалось выделением свободного кислорода. (около 2,7 млрд. лет назад). Первыми фотосинтезирующими организмами, выделявшими в атмосферу О₂ , были цианобактерии. Переход от первичной восстановительной атмосферы а среде, содержащей кислород, - важнейшее событие как в эволюции живых веществ, так и в преобразовании минералов. Появляется кислородный обмен – аэробные бактерии. В результате симбиоза анаэробных и аэробных клеток образовались эукариотические клетки.

Химическая эволюция перешла в биологическую.

1. Основные свойства живых организмов. Разнообразие и функции биологических макромолекул.

• Единство химического состава. 98% живых организмов состоит из четырех элементов – углерода, кислорода, азота и водорода

• Обмен веществ. Наиболее важны процессы синтеза и распада. Пластический обмен (анаболизм) - сложные превращения вещества из окружающей среды для строительства тела. Например, синтез целлюлозы из воды и углекислого газа. Энергетический обмен (катаболизм) – распад сложных веществ на простые, при этом утрачивается их сходство с веществами организма и выделяется энергия, необходимая для реакций биосинтеза.

• Самовоспроизведение (репродукция) – воспроизведение себе подобных

• Наследственность – передача признаков из поколения в поколение

• Изменчивость. Противоположна и одновременно тесно связана с наследственностью.

• Рост и развитие. В процессе развития возникает специфическая структура индивида.

• Раздражимость – способность избирательно реагировать на внешние воздействия. У многоклеточных животных – рефлекс

• Дискретность. Отдельный организм или любая другая биологическая система состоит из отдельных изолированных, т.е. обособленных или отграниченных в пространстве, но тем не менее тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство.

• Саморегуляция – способность организмов, обитающих в непрерывно меняющихся условиях окружающей среды, поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность физиологических процессов.

• Ритмичность – обусловлена космическими и планетарными причинами.

• Энергозависимость – живые тела доступны энергии и материи извне.

Типы биологических макромолекул:

1. Нуклеиновые кислоты (ДНК – хранение информации о структуре белков, РНК – перенос информации);

2. Белки (катализаторы химических реакций или структурные компоненты клеток);

3. Сахара и полисахариды (источники энергии и структурные компоненты);

4. Липиды (источники энергии и структурные компоненты).

Почти у всех форм живых организмов сходны последовательности биохимических превращений: редупликация транскрипция нуклеиновых кислот, биосинтез белков, жирных кислот. Расщепление глюкозы и др.

3. Белки и их роль в живом организме. Механизмы биосинтеза белка

Белки – сложные органические соединения (биополимеры), состоящие из углерода, водорода, кислорода и азота (иногда серы), мономерами которых являются аминокислоты. Молекулы белков имеют вид длинных цепей, которые состоят из 50-1500 аминокислот, соединенных прочной ковалентной азот-углеродной связью, называемой пептидной связью (- СО – NH -). Такая структура (полипептидная цепочка) называется первичной структурой белка. Структура молекулы белка, имеющая вид закрученной в спираль цепочки, называется вторичной. В результате дальнейшей укладки спирали возникает третичная структура. В живой клетке полипептидные цепочки приобретают вторичную и третичную структуру. При объединении нескольких белковых молекул, имеющих третичную структуру, возникает четвертичная структура белка.

Белки вместе с нуклеиновыми кислотами создают материальную основу всего видового многообразия животного мира. На их долю приходится 50-80% сухой массы клетки.

Функции белков в организме:

• с т р у к т у р н а я (строительная) функция : белки входят в состав клеточных мембран и органелл клетки, из белков состоят стенки кровеносных сосудов, хрящи, сухожилия высших животных.

• д в и г а т е л ь н а я функция – присуща особым сократительным белкам, которые обусловливают сокращение мускулатуры, перемещение хромосом при делении клетки, движение органов растений и т.д.

• т р а н с п о р т в е щ е с т в – белки связывают и переносят с током крови многие химические соединения (гемоглобин, переносящий кислород в крови, миоглобин – в мышцах и др.)

• з а щ и т н а я функция – при проникновении в клетку чужеродных тел вырабатываются особые белки – иммуноглобулины (антитела), которые нейтрализуют чужеродные тела и осуществляют иммунологическую защиту организма

• с и г н а л ь н а я функция – в поверхностную мембрану клетки встроены белки, способные изменять третичную структуру в ответ на действие факторов внешней среды – прием сигналов из внешней среды и передача команд в клетку

• р е г у л я т о р н а я функция – свойственна белкам-гормонам, оказывающим влияние на обмен веществ: поддержание постоянных концентраций веществ в крови (например, инсулин снижает содержание сахара), рост, размножение и т.д.

• к а т а л и т и ч е с к а я функция – регулирование биохимических процессов белками-ферментами

• э н е р г е т и ч е с к а я функция – белки являются энергетическим материалом: при их расщеплении выделяется определенное количество энергии.

Биосинтез белка:

Синтезированная в ядре клетки иРНК отделяется от ДНК и через поры ядерной оболочки поступает в цитоплазму, где прикрепляется к малой субъединице рибосомы (рибосома состоит из двух нуклеопротеидных субъединиц). В процессе синтеза рибосома защищает иРНК от разрушающего действия клеточных ферментов. Число рибосом, размещающихся на одной молекуле иРНК определяется длиной иРНК. Комплекс из иРНК и рибосом называется полисомой.

Синтез белка (трансляция) начинается со стартового кодона (триплета) АУГ. Отсюда каждая рибосома прерывисто, триплет за триплетом, движется вдоль молекулы иРНК, что сопровождается ростом полипептидной цепочки. Число аминокислот равно числу триплетов иРНК.

Выстраивание аминокислот в соответствии с кодонами иРНК осуществляется на рибосомах при помощи транспортных РНК – главных агентов в процессе синтеза белка. Каждая тРНК имеет акцепторный конец, к которому присоединяется активированная аминокислота. Активацию аминокислот осуществляют специфические ферменты аминоацил-тРНК-синтетазы. Тройной комплекс фермента, аминокислоты и АТФ, с молекулой которой взаимодействует фермент, называется активированной аминокислотой. Она способна спонтанно образовывать пептидную связь.

В противоположной части молекулы тРНК располагается триплет антикодон, ответственный за прикрепление по принципу комплементарности к определенному триплету (кодону) иРНК.

Таким образом, именно комплексы аминоацил-тРНК считывают информацию, закодированную в иРНК. Комплекс аминоацил-тРНК с помощью антикодона присоединяется к кодону иРНК на малой субъединице рибосомы. Затем к той же рибосоме прикрепляется второй комплекс в соответствии со следующим кодоном. Две аминокислоты расположены так, что между ними образуется пептидная связь. Первая тРНК, освободившись от аминокислоты, покидает рибосому. Потом к дипептиду присоединяется третья аминокислота, принесенная в рибосому своей тРНК и т.д., пока рибосома не дойдет до одного из трех терминирующих кодонов: УАА, УАГ или УГА. После этого синтез белка продолжается.

В полисоме возможен синтез нескольких одинаковых молекул: иРНК последовательно присоединяется к рибосомам и служит матрицей для синтеза белков.

Синтезированные белки поступают в каналы эндоплазматического ретикулума, по которым транспортируются к определенным участкам клетки. Синтез белков происходит непрерывно и с большой скоростью. За человеческую жизнь весь белок организма обновляется около 200 раз.