ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 01.01.2020
Просмотров: 2116
Скачиваний: 5
Белки (протеины, полипептиды)— это высокомолекулярные органические соединения, состоящие из аминокислот. Сухая масса клетки состоит на 50 - 80% из белков. Функции белков разнообразны: каталитическая, строительная (участвуют в образовании клеточных мембран и органелл), двигательная (сокращение мышц и т. д.), защитная (антитела из белков распознают чужеродные организму вещества), транспортная (перенос кислорода гемоглобином), регуляторная (участвуют в регуляции обмена веществ), энергетическая (при распаде 1 г белка выделяется около 18 кДж).
Организм человека образован из более 5 млн. белков, разнообразие которых обеспечивается комбинацией всего 20 (из более чем 100 известных) аминокислот.
Белки имеют разные уровни организации: типа нити, нить, закрученная в виде спирали, спираль, скрученная в клубок (глобулу), структура из нескольких клубков.
Нуклеиновые кислоты, как и белки, являются полимерами, но мономерами в них выступают нуклеотиды. Нуклеотид — это структура, состоящая из трех компонентов: азотистого основания, сахара пентозы и остатка фосфорной кислоты. В нуклеотиды могут входить две разновидности сахара: дезоксирибоза и рибоза, соответственно известны два вида нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и РНК (рибонуклеиновая кислота). В ДНК входит дезоксирибоза, в РНК — рибоза. Нуклеиновым кислотам принадлежит основная роль в хранении и передаче наследственной информации. Они находятся в ядре клетки.
В состав нуклеотидов входит пять азотистых оснований: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т), цитозин (Ц), урацил (У). Аденин, гуанин и цитозин (А, Г, Ц) входят в ДНК и РНК, тимин Т — только в ДНК, урацил У — только в РНК.
Нуклеотиды соединены в цепочки. В ДНК имеются две полимерные цепи нуклеотидов. Они закручены в спираль вокруг общей пространственной оси. Цепочку ДНК можно представить в виде огромного текста, состоящего из последовательности четырех букв: (A, Г, Ц, T) в разных сочетаниях. Цепочки ДНК соединены между собой водородными связями, причем аденин всегда связывается с тимином (А-Т), а цитозин с гуанином (Ц-Г). Такая связь структурно соответствующих друг другу оснований называется принципом комплиментарности. Подобная модель ДНК была предложена в 1953 г. американским биохимиком Дж. Уотсоном и английским физиком Ф.Криком.
Общая длина ДНК в каждой клетке человека равна приблизительно 2 м, общая длина ДНК всех клеток человека составляет примерно 1014 км.
Воспроизводство всего живого определяется синтезом белков при помощи ДНК и РНК. Каждая цепь ДНК выступает в роли матрицы для синтеза новых полинуклеиновых цепей. Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка, называется ген.
Генетический код — это система записи наследственной информации в молекулах нуклеиновых кислот в виде последовательности нуклеотидов. Изменение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводит к мутациям.
Геном – это совокупность генов, сосредоточенных в единичном наборе хромосом данного организма. Геном человека — это геном биологического вида Homo sapiens, он состоит из 46 хромосом.
Для кодирования одной аминокислоты требуется сочетание трех нуклеотидов. Единица генетического кода, состоящая из трех последовательно расположенных нуклеотидов в молекуле ДНК или РНК, называется кодоном. Ген состоит из кодонов. 20 аминокислот образуют 61 кодон.
ДНК сильно скручивается, уплотняется и упаковывается в определенную форму, образуя хромосому. Хромосомы — элементы ядер клетки, содержащие гены. В нормальной ситуации в клетке человека должно присутствовать 46 хромосом (23 пары): 44 из них не зависят от пола (аутосомные хромосомы), а две — X-хромосома и Y-хромосома — определяют пол (XY — у мужчин или ХХ — у женщин).
Реализация генетического кода (матричный синтез белка) осуществляется по схеме ДНК—РНК—белок. Способность к самоудвоению молекул ДНК является основой механизма наследственности.
Процесс воспроизводства ДНК можно разделить на несколько стадий. Сначала разрываются водородные связи двойной молекулы ДНК и образуются одинарные цепи. Затем каждая из нитей по своей поверхности строит новую, причем новые цепи пристраиваются к старым по принципу комплиментарности (происходит репликация). Репликация (лат. replication - повторение) — процесс самовоспроизведения молекул нуклеиновых кислот, обеспечивающий передачу по наследству точных копий генетической информации. Таким образом, из двух отдельных цепей образуются две молекулы ДНК, которые дают начало двум новым клеткам.
Важнейшую роль в передаче генетической информации играет РНК. РНК — это одноцепочечный полимер, состоящий из нуклеотидов. В него вместо сахара дезоксирибоза входит сахар рибоза, а вместо азотистого основания тимина (Т) входит азотистое основание урацил (У). Полимер РНК в сто раз короче, чем ДНК. В зависимости от выполняемых функций выделяют несколько видов РНК: информационная и-РНК и транспортная т-РНК.
Весь процесс синтеза белка занимает не более 6 минут. С молекулы ДНК генетический код переноситься на молекулу и-РНК, которая представляет собой копию части ДНК. Синтез белка осуществляется в рибосоме, куда и-РНК переносит информацию о структуре белка от ДНК. Рибосома — органелла клетки. Рибосомы можно сравнить с микроскопическими сборными заводами, на которых и-РНК играют роль сборочных машин. Т-РНК доставляет свободные аминокислоты в рибосому. Каждый сорт т-РНК захватывает один определенный вид аминокислот, несет их в рибосому и ставит на свое место, согласно информации, содержащейся в молекулах и-РНК. Тут же к аминокислотам подходят катализаторы – ферменты и осуществляют соединение аминокислот в одну молекулу белка. Этот процесс называется трансляцией.
Механизм матричного синтеза белков представляет собой не простое копирование, а копирование с частичными изменениями, что делает возможным как наследование признаков, так и отклонения от исходного состояния.
5.6 Эволюционная теория Ч.Дарвина
Эволюция — процесс длительных, постепенных изменений, в конечном итоге приводящих к коренным, качественным изменениям — возникновению новых организмов, структур, форм и видов. Ч.Дарвин создал учение о живой природе, обобщив отдельные, уже известные на тот момент эволюционные идеи в одну стройную теорию эволюции. Опираясь на огромный фактический материал и практику селекционной работы, он изложил основные положения своей теории в книге «Происхождение видов путем естественного отбора» (1859 год).
Основу эволюционной теории Ч.Дарвина составляют три принципа:
-
наследственность и изменчивость;
-
борьба за существование;
-
естественный отбор.
Изменчивость - изменение организмов под действием внешней среды. Вследствие изменчивости в природе нельзя обнаружить два совершенно одинаковых, тождественных организма.
Ч.Дарвин различал два вида изменчивости: определенную (ненаследственную) и неопределенную (наследственную).
Определенная изменчивость (адаптивная модификация) – это способность особей одного вида одинаковым образом реагировать на изменения окружающей среды (изменение роста в зависимости от количества и качества пищи, изменение толщины кожи и густоты шерстяного покрова при изменении климата и т.д.). Подобные изменения не передаются по наследству, поэтому они не являются материалом для эволюции.
Неопределенная (индивидуальная) изменчивость- это появление разнообразных отличий у особей одного и того же вида, которые передаются по наследству. Позднее неопределенную изменчивость стали называть мутациями. Мутации не связаны напрямую с изменениями условий окружающей среды, однако именно неопределенная изменчивость играет важнейшую роль в эволюции.
Наследственность — свойство организмов обеспечивать преемственность признаков и свойств между поколениями. Это свойство не абсолютно: дети никогда не бывают точными копиями родителей, но из семян пшеницы всегда вырастает только пшеница и т.п. В процессе размножения от поколения к поколению передается код наследственной информации, определяющий возможность развития будущих признаков.
Борьба за существование — совокупность взаимоотношений организмов данного вида друг с другом, с другими видами живых организмов и абиотическими факторами внешней среды. Ч.Дарвин указывал, что внутри вида рождается больше особей, чем доживает до взрослого состояния. Борьба за существование как раз и означает, что выживают и размножаются сильнейшие и наиболее приспособленные к изменившимся условиям особи. Они образуют новую популяцию, что в целом способствует выживанию вида.
Естественный отбор является ведущим фактором эволюции, его движущей силой. Естественный отбор — это совокупность происходящих в природе изменений, обеспечивающих выживание наиболее приспособленных особей и преимущественное оставление ими потомства, а также избирательное уничтожение организмов, оказавшихся неприспособленными к условиям окружающей среды. Совершенствование механизма приспособления организмов приводит к тому, что постепенно усложняется уровень их организации и таким образом обеспечивается прогресс в развитии живых организмов (эволюционный процесс).
Ч.Дарвин обращал внимание на характерные особенности естественного отбора:
-
постепенность и медленность процесса изменений
-
способность суммировать изменения в крупные, решающие причины, которые приводят к формированию новых видов.
Эволюционная теория Ч.Дарвина имеет большое значение. Ч.Дарвин объяснил целесообразность строения живых организмов. Целесообразность является результатом естественного отбора, а не результатом стремления организма к самосовершенствованию. Целесообразность носит всегда относительный характер, так как любое приспособление оказывается полезным только в конкретных условиях существования.
Ч.Дарвин подчеркивал, что элементарной единицей эволюции является не отдельная особь (как у Ламарка), а группа особей — вид. При этом эволюция вида осуществляется через эволюцию отдельных особей.
Отбор может сохранять признаки и свойства, невыгодные для отдельной особи, но полезные для группы особей или вида в целом. Примером такого приспособления служит жало пчелы — ужалившая пчела оставляет жало в теле врага и погибает, но гибель особи способствует сохранению пчелиной семьи. Такой подход привел к появлению популяционного мышления в биологии, являющегося основой современных представлений об эволюции.
Наряду с несомненными достоинствами, в теории Ч.Дарвина были и существенные недостатки. Она не могла объяснить причин появления у организмов многих структур, кажущихся бесполезными. Однако, как выяснилось впоследствии, многие главные отличительные (морфологические) различия между видами, не имеющие значения для выживания, представляют собой побочные эффекты действия генов, обусловливающих незаметные, но очень важные для выживания физиологические признаки.
Слабым местом в теории Дарвина было отсутствие объяснения механизма наследственности. Эволюционная теория не объясняла, каким образом происходит накопление и сохранение полезных изменений при скрещивании. В то время бытовало мнение, что в результате скрещивания особей, обладающих полезными признаками, с другими особями, которые ими не обладают, должно произойти ослабление полезных признаков, и популяция должна стремиться к однородности.
Ответ на эти вопросы дала синтетическая теория эволюции, которая объединила эволюционную теорию и генетику.
5.7 Синтетическая теория эволюции.
Синтетическая (т.е. основанная на данных многих областей естествознания) теория эволюции (СТЭ) представляет собой синтез основных эволюционных идей Дарвина и результатов исследований в области наследственности и изменчивости (дискретной природы наследственности).
Началом разработки синтетической теории эволюции принято считать работы русского генетика С.С. Четверикова по популяционной генетике. В работах было показано, что отбору подвергаются не отдельные признаки или особи, а генотип всей популяции, однако осуществляется отбор через фенотипические признаки отдельных особей. Полезность изменчивости будет определяться естественным отбором группы особей, наиболее приспособленных к жизни в определенных условиях. Таким образом, элементарной единицей эволюции считается уже не особь (как считал Ламарк), не вид (как считал Дарвин), а популяция.
Новое в содержании СТЭ состоит в том, что она основным механизмом биологической эволюции стала понимать не только результат действия естественного отбора, а прежде всего отбор организмов с полезными, выгодными для приспособления к среде мутациями.
Согласно СТЭ ведущими факторам эволюции являются:
-
мутационные процессы;
-
популяционные волны численности;
-
изоляция;
-
естественный отбор.
Мутации – это случайное изменения наследственных свойств организмов, которое возникает естественным или искусственным путем. Факторы, вызывающие мутацию, называются мутагенами. К мутагенам относятся: температурный режим, особенности питания, действие отравляющих веществ, радиации, вирусов.
Благоприятные мутации крайне редки. Но если мутации оказываются полезными для организма, помогают ему выжить в борьбе за существование, то такие мутации накапливаются, закрепляются и повторяются в ряде поколений и приводят к возникновению новых видов.
Популяционные волны («волны жизни») - колебание численности особей в популяции вокруг некоторой средней величины. Причины этих колебаний могут быть различными. Например, резкое сокращение численности популяции может произойти вследствие истощения кормовых ресурсов. Среди оставшихся в живых немногочисленных особей могут оказаться редкие генотипы. Если в дальнейшем численность восстановится за счет этих особей, то это приведет к изменению в генофонде данной популяции.
Исследования показали, что для появления новых свойств наиболее благоприятны популяции среднего размера. В многочисленных популяциях наследственным изменениям труднее появиться, в малочисленных мала вероятность и без того редко встречающихся благоприятных мутаций.
Изоляция (обособленность) группы организмов. На эту особенность указывал еще Ч.Дарвин, который считал, что для образования нового вида определенная группа старого вида должна обособиться, но он не мог объяснить необходимость этого требования с точки зрения наследственности. В настоящее время установлено, что обособление и изоляция определенной группы организмов необходимы для того, чтобы она не могла скрещиваться с другими видами и тем самым обмениваться генетической информацией.